KR20220131340A - 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나 - Google Patents

향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나 Download PDF

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KR20220131340A
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디자즈 예칸 타하 샤비르디
가르시누노 호세 안토니오 엔시나르
베이나 마누엘 아레볼라
예페즈 프란시스코 에듀어도 카라스코
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Abstract

본 명세서에 개시된 예는 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나에 관한 것이다. 향상된 무선 통신 애플리케이션을 위한 반사어레이 안테나는 제1 선형 편광에서 제1 위상 시프트로 반사된 무선 주파수(RF) 빔을 방사하도록 구성된 제1 복수의 전도성 요소와, 제1 복수의 전도성 요소에 직교하게 배열되고, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광에서 제1 위상 시프트와 실질적으로 동일한 제2 위상 시프트로 반사된 RF 빔을 방사하도록 구성된 제2 복수의 전도성 요소를 포함하는 반사어레이 셀 어레이를 포함한다. 본 명세서에 개시된 다른 예는 반사어레이 안테나의 설계 방법 및 반사어레이 안테나의 패턴 합성을 수행하는 방법에 관한 것이다.

Description

향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사형 위상 어레이 안테나에 관한 것이다.
차세대 무선 네트워크는 사용자 요구를 수용하기 위해 점점 더 필수적인 것이 되고 있다. 모바일 데이터 트래픽은 매년 지속적으로 증가하면서, 무선 네트워크로 하여금 더 빠른 속도를 제공하고, 더 많은 디바이스를 연결하고, 더 낮은 레이턴시를 가지고, 한번에 점점 더 많은 데이터를 송신할 것을 요구한다. 사용자는, 사무실 건물이든 공공 장소든 야외 보호 구역이든 차량이든, 환경이나 상황에 관계없이 즉각적인 무선 연결을 기대한다. 이러한 요구에 부응하여, 가까운 장래에 배포할 수 있도록 새로운 무선 표준이 설계되었다. 무선 기술의 대규모 발전은 5세대 셀룰러 통신("5G")으로, 이는 4세대("4G")인 현재의 롱 텀 에볼루션(Long-Term Evolution)("LTE")보다 더 큰 능력을 포함하고, 모바일, 고정 무선 등을 통한 고속 인터넷 전달을 보증한다. 5G 표준은, 6GHz를 초과하는 주파수를 커버하는 밀리미터파 대역 및 최대 300GHz까지의 계획된 24GHz, 26GHz, 28GHz 및 39GHz로 동작을 전 세계적으로 확장하고, 고속 데이터 통신에 필요한 넓은 대역폭을 가능하게 한다.
밀리미터파("mm-wave") 스펙트럼은, 높은 대기 감쇠에 민감하고 (1 킬로미터를 겨우 넘는) 단거리에서 작동해야 하는 ~1mm 내지 10mm 범위의 좁은 파장을 제공한다. 예를 들어, 거리 협곡(street canyons)이 있는 밀집된 산란 지역과 쇼핑몰에서는 다중 경로, 그림자 및 지리적 장애물로 인해 사각 지대가 존재할 수 있다. 범위가 더 넓고 때로는 폭우가 쏟아지는 극단적인 기후 조건이 발생하는 외딴 지역(remote areas)에서는, 환경적 조건이 강한 바람과 폭풍으로 인해 운영자가 대형 어레이 안테나를 사용하는 것을 방해할 수 있다.
특히, 사용자 무선 통신을 위한 5G 기술의 장래의 개발 및 통합은 큰 과제를 제시한다. 특히, 5G 무선 통신을 위한 기지국은 특정 각도 범위에서 일정한 전력을 제공할 필요가 있다. 이와 관련하여, 안테나는 유도파(guided waves)를 자유 공간에서의 전파로 또는 그 반대로 변환하는 디바이스이기 때문에 안테나는 무선 통신을 위한 중요한 서브시스템이다. 크기, 방사 패턴, 정합(matching) 등과 같은 안테나의 상이한 파라미터는 애플리케이션에 따라 최적화될 수 있다. 많은 경우에, 전력을 원하는 영역으로 적절하게 다시 보내기 위해 성형된 빔 패턴(shaped-beam pattern)이 필요하다. 5G 네트워크에 밀리미터파 무선 통신을 제공하는데 있어 이러한 문제 및 기타 문제는, 주변 환경의 많은 신호 및 구조 간의 간섭을 피하면서 제어된 방향에서 원하는 빔 형상을 생성하는 능력을 포함하여, 시스템 설계에 야심찬 타겟를 부과한다.
본 개시는 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나를 제공한다. 특히, 본 개시는 큰 입사각에 대한 개선된 성능을 갖는 단일-층 반사어레이 셀에 관한 것이다. 입사각이 큰 경우, 선형 편광(예컨대, X-편광(또는 수평 편광) 및 Y-편광(또는 수직 편광))마다 성능이 다르다. 5G 무선 네트워크의 편광 다이버시티를 위해, 안테나 성능은 두 편광(수직 및 수평)에 대해 동일해야 한다. 본 기술의 반사어레이 셀은 반사어레이 안테나가 임의의 유형의 편광에 대해 실질적으로 동일한 방사 패턴을 방사할 수 있게 한다. 일부 구현에서, 반사어레이 셀은 넓은 범위의 위상, 광대역 및 제조 오차에 대한 낮은 감도를 제공하기 위해 직교 쌍극자 세트들을 결합한다. 반사어레이 셀은 각 선형 편광에 대해 독립적인 위상을 제공한다. 이와 관련하여, 반사어레이 셀은 큰 입사각의 경우에 두 편광에 대해 동일한(예컨대, 전기장의 편광과 무관한) 위상 시프트를 제공하도록 최적화될 수 있다.
본 개시는 또한 반사어레이 패널을 설계하는 빠르고 정확한 프로세스를 제공한다. 반사어레이 패널은 수천 개의 셀로 구성될 수 있으며, 모든 반사어레이 셀을 최적화하는 이전 기술은 컴퓨터 처리 시간의 측면에서 상당히 부담이 될 수 있다. 본 기술의 프로세스는 기지국과 같은 피드가 반사어레이 패널에서 멀리 위치하고 입사각이 실질적으로 일정하다는 전제에 기초한다. 일부 구현에서, 본 기술의 프로세스는 다음과 같은 4가지 기본 단계를 포함한다: 1) 반사어레이 표면의 타겟 위상 분포를 결정하기 위해 패턴 합성을 수행하는 것, 2) 반사어레이 셀의 기하학적 파라미터를 결정하는 것, 3) 각 반사어레이에서 쌍극자 길이를 조정하는 것 4) 방사 패턴을 계산하는 것. 일부 양태에서, 반사어레이 셀의 기하학적 파라미터는 두 선형 편광 모두에서 부드러운 위상 변동을 획득하도록 결정된다. 일부 양태에서는, 각각의 편광에 대해 반사어레이 셀을 컴퓨터 모델링함으로써 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선이 획득된다. 위상 및 진폭 곡선은 원하는 주파수 대역의 중심 및 임계 주파수에 대해 획득된다. 각 셀의 쌍극자 길이는 중심 주파수에서 이전에 계산된 위상 곡선을 사용하여 조정되며, 보간에 의해 타겟 위상 시프트를 적절한 쌍극자 길이와 일치시킨다. 조정된 반사어레이 셀 쌍극자가 있는 반사어레이 패널의 최종 결과는 두 선형 편광에 대해 동일한 위상 분포를 보장한다. 방사 패턴은 또한 각각의 주파수 및 선형 편광에서의 위상 및 진폭의 미리 계산된 값을 사용하여 컴퓨터 모델링에 의해 중심 및 임계 주파수에서 계산된다.
본 개시는 또한 반사어레이 패널을 설계하는 프로세스의 일부로서 향상된 위상 전용 패턴 합성을 제공한다. 밀리미터파 대역에서 5G 무선 네트워크에 의해 제공되는 커버리지 영역은 매우 큰 방사 각도에서 발견되는 그림자 영역을 포함할 수 있다. 커버리지 영역 시나리오, 반사어레이 패널의 주파수 및 크기를 고려할 때, 패턴 합성에서의 이전 접근 방식은 불안정해지고 커버리지 영역에서 여전히 널(null)이 발견되게 하여, 5G 무선 네트워크의 성능을 저하시키는 페이딩 영역을 생성한다. 따라서, 본 기술의 패턴 합성은 커버리지 영역에서 널을 피하도록 반사어레이 셀을 최적화하기 위해 컴퓨터 모델링에 의해 수행된다. 일부 구현에서, 본 기술의 패턴 합성 프로세스는 1) 시작점으로서 넓은 디포커싱된 빔을 제공하는 것, 2) 반사어레이 패널의 크기에 따라 절대 이득으로 합성을 수행하는 것, 및 3) 패턴에 대한 낮은 목표 이득으로 시작하여 각 단계에서 점진적으로 이득을 증가시키는 다수의 단계로 프로세스를 분할하는 것을 포함한다.
본 출원은, 축척대로 도시되지 않고 전체에 걸쳐 유사한 참조 부호가 유사한 부분을 지칭하는 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명과 관련하여 더 완전히 인식될 수 있다.
도 1은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 무선 통신을 향상시키기 위해 반사어레이 안테나가 배포되는 환경을 도시한다.
도 2는 본 기술의 다양한 구현에 따른 다양한 셀 구성을 갖는 반사어레이 안테나의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위해 반사어레이 안테나를 설계하기 위한 예시적인 프로세스의 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 기술의 다양한 구현에 따른 평면 반사어레이 안테나 및 고려된 단위 셀의 예의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 기술의 다양한 구현에 따른 반사어레이 안테나 스택-업 구성의 단면도를 갖는 개략도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 기술의 다양한 구현에 따른, X-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 7은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 반사어레이 안테나 설계를 최적화하기 위해 도 3의 패턴 합성을 수행하는 예시적인 프로세스의 흐름도를 도시한다.
도 8은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 반사어레이 안테나에 대한 기지국의 기하학적 설정의 개략도를 도시한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 주어진 반사어레이 셀에 대해 X-편광 및 Y-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 10은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 9의 반사어레이 셀과 함께 사용하기 위한 X-편광 및 Y-편광에 대한 타겟 위상 시프트 분포의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 11a 내지 도 11f는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 10의 합성된 위상 분포로부터의 원하는 방사 패턴을 도시하는 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 주어진 반사어레이 셀에 대해 X-편광 및 Y-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 13은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 12의 반사어레이 셀과 함께 사용하기 위한 X-편광 및 Y-편광에 대한 타겟 위상 시프트 분포의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 13의 합성된 위상 분포로부터의 원하는 방사 패턴을 도시하는 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 15a 내지 도 15d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 방사 패턴에 대해 중심 주파수에서 방위각 및 고도에서의 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 16은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 15a 및 도 15b의 방사 패턴과 연관된 X-편광 및 Y-편광에 대한 중심 주파수에서의 위상 오차의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 17a 내지 도 17d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 작동 주파수 및 기판에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 18a 내지 도 18d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 양의 기판 유전율에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 19a 내지 도 19d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 양의 유전체 두께에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다.
도 20은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 실외 환경에서의 반사어레이 안테나의 예를 개념적으로 도시한다.
도 21은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 5G 무선 커버리지 및 성능을 크게 개선하기 위해 반사어레이 안테나가 배포될 수 있는 환경을 도시한다.
도 22는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 실내 환경에서의 반사어레이의 배치를 도시한다.
도 23은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 실내 환경에서의 반사어레이 안테나의 일 예를 개념적으로 도시한다.
도 24는 본 기술의 하나 이상의 구현이 구현될 수 있는 전자 시스템을 개념적으로 도시한다.
반사어레이 안테나는 다수의 상이한 5G 및 기타 무선 애플리케이션에 적합하며, 다양한 환경 및 구성에 배포될 수 있다. 다양한 예에서, 반사어레이 안테나는 피드로부터의 입사 무선 주파수("RF") 신호를 포커싱된 지향성 빔으로 단일 방향으로 반사하는 전도성 인쇄 요소를 갖는 셀의 어레이이다. 반사어레이 안테나는 5G 무선 네트워크를 위한 더 높은 주파수 및 비교적 짧은 거리에서 동작할 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 정의되는 반사어레이 셀은 특정 주파수 의존 위상 분포를 도입하기 위해 공간적으로 분포되는 비주기적 또는 반주기적 구조로 제작될 수 있다. 그 설계 및 구성은 실내든 실외든 관계없이 주어진 애플리케이션 또는 배포에 대한 기하학적 및 커버리지 영역 고려 사항에 의해 결정된다.
아래에 설명된 상세한 설명은 본 기술의 다양한 구성에 대한 설명으로서 의도된 것이고, 본 기술이 실시될 수 있는 유일한 구성을 나타내려는 것은 아니다. 첨부된 도면은 여기에 포함되고 상세한 설명의 일부를 구성한다. 상세한 설명은 본 기술에 대한 완전한 이해를 제공할 목적으로 특정 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 기술은 여기에 제시된 특정 세부사항으로 제한되지 않고 하나 이상의 구현을 사용하여 실시될 수 있다. 하나 이상의 예에서, 구조 및 구성요소는 본 기술의 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 블록도 형태로 도시된다. 다른 경우에, 잘 알려진 방법 및 구조는 실시예의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 설명되지 않을 수 있다. 또한, 예들은 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 무선 통신을 향상시키기 위해 반사어레이 안테나가 배치되는 환경을 도시한다. 무선 네트워크(100)는 BS(102)와 같은 적어도 하나의 무선 기지국(base station: "BS")의 송신 및 수신 범위 내에서 사용자 장비("UE")를 서빙한다. BS(102)는 그 커버리지 영역 내에서 무선 신호를 UE(104A-H)와 같은 UE에 송신하고 및 그로부터 수신한다. 커버리지 영역은 무선 신호의 품질에 영향을 미칠 수 있는 환경 내의 빌딩 또는 다른 구조물에 의해 중단될 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, UE(104A-H)에 대한 무선 커버리지는 그 부근에 반사어레이 안테나(106)의 설치에 의해 상당히 개선될 수 있다. 단일 반사어레이 안테나(106)가 예시 목적으로 도시되어 있지만, 필요에 따라 다수의 이러한 반사어레이 안테나가 무선 네트워크(100)에 배치될 수 있다.
다양한 예에서, 반사어레이 안테나(106)는 BS(102)와 UE(104A-H) 사이에서 수동 릴레이 또는 능동 릴레이로서 기능할 수 있다. 반사어레이 안테나(106)는 특정 입사각(또는 방향)에서 BS(102)로부터 신호를 수신하고, UE(104A-H)를 겨냥한 하나 이상의 지향성 빔으로 신호를 반사한다. 컷아웃(108)은 고도각
Figure pct00001
및 방위각
Figure pct00002
을 갖는 입사각으로부터 들어오는 입사 빔을 도시하고, 고도각
Figure pct00003
및 방위각
Figure pct00004
을 갖는 반사각에서 방사하는 반사 빔을 도시한다. 반사어레이 안테나(106)의 지향성은 아래에서 더 자세히 설명되는 것과 같이 무선 네트워크(100)의 기하학적 구성(예컨대, BS(102)의 배치, 반사어레이 안테나(106)에 대한 거리 등) 및 네트워크(100)의 반사어레이 안테나(106)에 대한 안테나 사양을 고려함으로써 달성된다. 특정 설계를 구현하고 특정 커버리지 영역 제약 조건을 충족시키기 위해 다양한 구성, 형상 및 치수가 사용될 수 있다. 반사어레이 안테나(106)는 교외의 조용한 지역이나 고밀도 도시 블록과 같은 교통량이 많은 지역 등 임의의 무선 네트워크 환경에 배치될 수 있다. 본 명세서에서 개시된 바와 같이 설계된 반사어레이 안테나(106)와 같은 반사어레이를 사용하면 현재 5G 데이터 레이트의 10배의 상당한 성능 향상을 가져올 수 있다. 반사어레이 안테나(106)는 저가이고, 반사어레이를 제조 및 설정하기 쉬우며, 작동에 대한 수동 조정을 필요로 하지 않으면서 자가 교정될 수 있다.
이제, 본 기술의 다양한 구현에 따른 다양한 셀 구성을 갖는 반사어레이 안테나(200)의 개략도를 예시하는 도 2에 주목한다. 반사어레이 안테나(200)는 행 및 열로 구성된 셀의 어레이를 포함한다. 반사어레이 안테나(200)는 수동 또는 능동일 수 있다. 수동 반사어레이는 일단 제자리에 있으면 입사 빔을 특정 포커싱 방향으로 수동적으로 재지향(redirect)하므로 임의의 능동 회로 또는 기타 제어를 포함하지 않을 수 있다. 반사어레이 안테나(200)는 개별 셀의 크기 및 구성과 이러한 셀 내의 개별 전도성 인쇄 요소로 인한 이득과, 지향성 및 고대역폭을 제공한다.
다양한 예에서, 반사어레이 안테나(200)의 셀은 상이한 형상의 전도성 인쇄 패치를 포함한다. 다른 예에서, 반사어레이 셀은 마이크로스트립, 갭, 패치, 쌍극자 등으로 구성될 수 있다. 특정 설계를 구현하고 특정 제약 조건을 충족시키기 위해 다양한 구성, 형상 및 치수가 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 반사어레이 안테나(200)는 길이 l 및 폭 w를 갖는 직사각형 반사어레이이다. 다른 예에서, 반사어레이 안테나(200)는 반경 r을 갖는 원형일 수 있다. 반사어레이 안테나(200)의 각 셀은 전도성 인쇄 요소를 갖는다. 전도성 인쇄 요소는 또한 정사각형 패치, 직사각형 패치, 하나의 쌍극자, 다수의 쌍극자 등과 같은 상이한 구성을 가질 수 있다. BS에 대한 반사어레이 안테나(200)의 위치, 원하는 이득 및 지향성 성능 등과 같은, 주어진 5G 또는 다른 무선 애플리케이션에 대한 설계 기준을 만족시키기 위해, 다른 형상(예컨대, 사다리꼴, 육각형 등)이 또한 설계될 수 있다.
예를 들어, 반사어레이 안테나(200)는 그 폭 및 길이에 대해 각각 치수 wc 및 1c를 갖는 직사각형 셀인 셀(202)을 포함한다. 셀(202)은 치수 wre 및 lre를 갖는 전도성 인쇄 요소(204)를 포함한다. 전도성 인쇄 요소의 치수는 부파장 범위(~λ/3)에 있는데, λ는 입사 또는 반사 RF 신호의 파장을 나타낸다. 다른 예에서, 반사어레이 안테나(200)는 교차-쌍극자 요소(208)를 갖는 셀(206)을 포함한다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반사어레이 안테나(200)의 설계는 실내든 실외든 상관없이 주어진 애플리케이션 또는 배포에 대한 기하학적 고려사항에 의해 결정된다. 따라서, 반사어레이 안테나(200)의 치수, 형상 및 셀 구성은 특정 애플리케이션에 의존할 것이다.
이제, 본 기술의 다양한 구현에 따른, 향상된 무선 통신 커버리지 영역을 위한 반사어레이 안테나를 설계하는 예시적인 프로세스(300)의 흐름도를 도시하는 도 3에 주목한다. 설명의 목적을 위해, 예시적인 프로세스(300)는 여기에서 주로 도 4, 도 5a 및 도 5b, 도 6a 및 도 6b, 도 7a 및 도 7b, 도 24의 전자 시스템(2400)을 참조하여 설명되지만, 예시적인 프로세스(300)는 도 24의 전자 시스템(2400)에 제한되지 않고, 예시적인 프로세스(300)는 도 24의 전자 시스템(2400)의 하나 이상의 다른 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 추가로 설명을 위해, 예시적인 프로세스(300)의 블록들은 여기에서 직렬로 또는 선형적으로 발생하는 것으로 설명된다. 그러나, 예시적인 프로세스(300)의 다수의 블록은 병렬로 발생할 수 있다. 또한, 예시적인 프로세스(300)의 블록들은 도시된 순서와 상이한 순서로 수행될 수 있고/있거나 예시적인 프로세스(300)의 블록들 중 하나 이상은 수행되지 않을 수 있다.
예시적인 프로세스(300)는 안테나 사양이 결정되는 단계 302에서 시작한다. 일부 구현에서, 안테나 사양은, 반사어레이의 형상, 반사어레이 내의 요소의 수, 요소의 주기성, 재료의 전기적 특성, 반사어레이의 개구 크기, 방위각 및 고도각에서의 방사된 빔의 형상, 방사된 빔의 방향, 반사어레이와 BS 사이의 거리, 직교 좌표에서의 기지국 배치, 반사어레이의 반출력 빔 폭(half-power beam width: HPBW), 작동 주파수 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
설명을 위해, 도 4에 도시된 바와 같은 반사어레이 구성(400)의 예를 참조하여 안테나 사양을 결정하는 단계가 논의될 것이다. 이제, 본 기술의 다양한 구현에 따른 평면 반사어레이 안테나 및 고려된 단위 셀의 예의 개략도를 도시하는 도 4에 주목한다. 반사어레이 구성(400)은 반사어레이 안테나(404)를 포함하는데, 이는 그 표면에 입사 전기장을 생성하는 피드(402)에 의해 조명된다. 피드(402)는 일부 구현에서 무선 라디오를 갖는 BS일 수 있거나, 다른 구현에서 혼 안테나(horn antenna)일 수 있다. 일부 예에서, 반사어레이 안테나(404)는 직사각형이고, 88 x 88의 직사각형 그리드에서 약 7,744개의 요소로 구성된다. 다른 예에서, 반사어레이 안테나(404)는 66 x 66의 직사각형 그리드에서 약 4,356개의 요소로 구성된다. 반사어레이 안테나(400)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 도 4에 도시된 것과 상이한 개수의 요소를 갖는 그리드가 있는 상이한 형상을 포함할 수 있다. 피드(402)는 반사어레이 안테나(404)의 중심에 대해 미리 결정된 거리에 배치될 수 있다. 일부 양태에서, 피드(402)는 cosq θ 함수로서 모델링될 수 있다.
도 4에 도시된 컷아웃(410)은 셀의 서브어레이, 즉, 셀(412, 414, 416 및 418)을 포함한다. 각 셀은 각 선형 편광에 대한 다수의 병렬 쌍극자의 세트를 포함하는 패턴화된 층으로 구성된다. 각 셀의 길이(x축을 따름)와 폭(y축을 따름)은 각각 PX와 PY로 표시된다. 길이는 3.0mm 내지 5.0mm의 범위일 수 있고, 폭은 3.0mm 내지 5.0mm의 범위일 수 있다. 컷아웃(410) 내의 셀의 주기성은 양 축(예컨대, x, y)에서 3.0mm 내지 5.0mm의 범위에 있는데, 이는 격자 로브를 피하기 위해 약 28GHz의 작동 주파수에서의 파장의 절반 미만이다. 작동 주파수는 27.5GHz 내지 28.5GHz 범위이며, 보다 구체적으로 약 28GHz의 중심 주파수에 있다.
쌍극자들 사이의 간격은 y축을 따른 간격의 경우 SA로 설정되고 x축을 따른 간격의 경우 SB로 설정된다. 일부 양태에서, 간격(SA, SB)은 쌍극자의 치수에 따라 0.4mm 내지 1.1mm의 범위로 설정될 수 있다. 컷아웃(410)은 x축을 따라 측방향으로 연장되는 쌍극자를 갖는 제1 요소 유형(예컨대, 420) 및 y축을 따라 측방향으로 연장되는 쌍극자를 갖는 제2 요소 유형(예컨대, 422)을 포함한다. 일부 구현에서, 각각의 요소 유형은 제1 길이(lA1, lB1로 표시됨)를 갖는 2개의 병렬 쌍극자와, 2개의 제1-길이 쌍극자 사이에 병렬 배열로 개재되는 제2 길이(lA2, lB2로 표시됨)를 갖는 하나의 쌍극자를 포함한다. 일부 양태에서, 제1 길이가 제2 길이의 미리 결정된 분수이도록 제2 길이는 제1 길이보다 더 크다. 예를 들어, 미리 결정된 분수는 0.5 내지 0.8의 범위에 있는 분수 값으로 설정된다. 각각의 쌍극자의 폭은 0.2mm 내지 0.4mm의 범위에 있을 수 있다. 컷아웃(410)은 셀들(412, 414, 416 및 418) 각각의 제1 요소 유형과, 셀들(412, 414, 416 및 418) 사이의 중앙에 있는 컷아웃(410)의 중심에 위치한 제2 요소 유형을 포함한다. 일부 구현에서, 제1 요소 유형(예컨대, 420)의 배열은 제2 요소 유형(예컨대, 422)의 배열과 직교하는데, 제1 요소 유형은 x축에 평행하고 제2 요소 유형은 y축에 평행하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 컷아웃(410)은 작동 주파수에서 3.64 내지 3.72 범위의 상대 유전율(εr) 및 0.0072 내지 0.0095 범위의 손실 탄젠트(δ)를 갖는 단일 기판 층을 포함한다. 일부 예에서, 기판 층은 0.254mm(또는 10mils) 내지 1.524mm(또는 60mils) 범위의 두께(또는 높이, h)를 갖는다.
이제, 본 기술의 다양한 구현에 따른 상이한 반사어레이 안테나 스택-업 구성의 단면도를 갖는 개략도를 도시하는 도 5a 및 도 5b에 주목한다. 일부 구현에서, 도 4에 도시된 기판 층은 도 5a 및 도 5b에 도시된 스택-업 구성들 중 하나에 대응하거나 적어도 그 일부일 수 있다. 도 5a는 제1 스택-업 구성(500)의 단면도를 도시하고, 도 5b는 제2 스택-업 구성(550)의 단면도를 도시한다. 그러나 도시된 구성요소들의 전부가 사용되는 것이 아닐 수도 있으며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에 제시된 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 구성요소의 배열 및 유형에 대한 변동이 이루어질 수 있다. 추가 구성요소, 상이한 구성요소 또는 더 적은 수의 구성요소가 제공될 수 있다.
도 5a에서, 제1 스택-업 구성(500)은 슈퍼스트레이트(superstrate)(502), 접합층(504), 기판(508) 및 전도층(506, 510)을 포함한다. 일부 구현에서, 슈퍼스트레이트(502)는 10GHz에서 유전 상수 = 1.1 및 손실 탄젠트 = 0.003를 가지며(이는 상업적으로 이용가능한 ROHACELL HF71에 대응함), 두께 범위는 0.508mm(또는 20mils) 내지 1.524mm(또는 60mils)이다. 접합층(504)은 에틸렌-아크릴산 열가소성 공중합체(ethylene-acrylic acid thermoplastic copolymer)를 포함하는 사전 함침된 복합 재료로서, 10GHz에서 유전 상수 = 2.32 및 손실 탄젠트 = 0.0013이고(이는 상업적으로 이용가능한 CuClad 6250에 대응함), 두께는 약 0.064mm(또는 약 2.5mils)이다. 일부 구현에서, 기판(508)은 10GHz에서 유전 상수 = 3.65 및 손실 탄젠트 = 0.0125를 가지며(이는 상업적으로 이용가능한 ISOLA FR408에 대응함), 두께는 약 1.5mm(또는 59mils)이다. 일부 구현에서, 전도층(506, 510)은 1.0 미만의 구리 밀도를 포함한다. 일부 양태에서, 전도층(506)은 신호 평면으로서 기능하는 패터닝된 층이고 전도층(510)은 접지 평면으로서 기능한다.
도 5b에서, 제2 스택-업 구성(550)은 슈퍼스트레이트(552), 접합층(554), 기판(558) 및 전도층(556, 560)을 포함한다. 일부 구현에서, 슈퍼스트레이트 및 기판은 동일 재료를 포함하는데, 각 층은 10GHz에서 유전 상수 = 3.65 및 손실 탄젠트 = 0.0125이고(이는 상업적으로 이용가능한 ISOLA FR408에 대응함), 두께는 약 0.711mm(또는 28mils)이다. 접합층(554)은 10GHz에서 유전 상수 = 3.6 및 손실 탄젠트 = 0.001이고 두께가 약 0.1mm(또는 4mils)인 사전 함침된 복합 재료이다. 일부 구현에서, 전도층(556, 560)은 1.0 미만의 구리 밀도를 포함한다. 일부 양태에서, 전도층(556)은 신호 평면으로서 기능하는 패터닝된 층이고 전도층(560)은 접지 평면으로서 기능한다.
다시 도 3을 참조하면, 단계 304에서, 관심 대역의 하나 이상의 주파수에서 제1 및 제2 선형 편광에 대해 안테나 사양으로부터 반사어레이 셀의 쌍극자 길이의 함수로서 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선이 계산된다. 예를 들어, 제1 및 제2 선형 편광은 각각 X 편광 및 Y 편광에 대응한다. 관심 대역은, 일부 양태에서 중심 주파수가 약 27.7GHz인 27.2GHz 내지 28.2GHz의 범위 또는 중심 주파수가 약 28.0GHz인 27.5GHz 내지 28.5GHz의 범위와 같은, 밀리미터 대역에서 5G 무선 통신에 적용 가능한 주파수에 대응한다. 위상 및 진폭 곡선은 임계 주파수를 포함하여 중심 주파수에서 획득될 수 있다. 위상 및 진폭 곡선은 반사어레이 요소에 의해 생성된 위상 시프트 및 신호 손실을 쌍극자 길이의 함수로서 도시할 수 있다.
이제, X-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시하는 도 6a 및 도 6b에 주목한다. 도 6a 및 도 6b의 플롯은 셀의 기하학적 파라미터 및 기판 특성에 기초하여 생성된다. 도 6a에서, 예를 들어, 셀의 주기성은 쌍극자 길이 lA1 = 0.6*lA2 및 쌍극자 폭 = 0.4mm와 함께 5.0mm로 설정되고 쌍극자 간격은 1.1mm로 설정된다. 기판 층은 유전 상수 = 3.65 및 손실 탄젠트 = 0.0095를 갖는다. 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 응답은 28GHz의 작동 주파수에서 수직 입사각으로 충돌하는 선형 편광 평면파에 대한 무한 주기 어레이 환경에서 분석된다. 플롯(610)은 3개의 주파수(27.5GHz, 28GHz, 28.5GHz)에 대해 1A2 쌍극자 길이의 함수로서의 3개의 위상 곡선을 각각 도시한다. 플롯(612)은 동일한 3개의 주파수(27.5GHz, 28GHz, 28.5GHz)에 대해 1A2 쌍극자 길이의 함수로서의 3개의 진폭 곡선을 각각 도시한다. 관찰할 수 있는 바와 같이, 플롯(610)의 위상 곡선은 2.0mm 내지 4.5mm의 쌍극자 길이 범위에 걸쳐 약 400도의 위상 범위를 보여준다. 유사하게, 플롯(612)의 진폭 곡선은 2.0mm 내지 4.5mm의 쌍극자 길이 범위에 대응하는 진폭 손실을 보여준다. 이 정보를 사용하여, 원하는 위상 시프트를 달성하는 대응하는 쌍극자 길이가 결정될 수 있다.
일부 구현에서, 위상 및 진폭은 기판 두께에 의해 영향을 받는다. 플롯(620)은 서로 다른 기판 두께, 즉, 20mils, 30mils, 50mils 및 60mils에 대해 1A2 쌍극자 길이의 함수로서의 4개의 위상 곡선을 도시한다. 예를 들어, 위상 전이는 기판 두께 20mils, 30mils에 비해 기판 두께 50mils, 60mils의 경우에 더 매끄럽다. 이와 관련하여, 플롯(622)은 대응하는 기판 두께에 대한 4개의 진폭 곡선을 도시하는데, 진폭 손실은 약 3.0mm의 쌍극자 길이에서 다른 기판 두께 50mil, 60mil에 비해 기판 두께가 약 20mil, 30mil로 설정될 때 더 크다.
도 6b에서, 셀의 주기성은 5.0mm 대신 4.5mm로 설정되고, 반사어레이 셀은 28GHz의 작동 주파수에서 수직 입사각으로 충돌하는 선형 편광 평면파에 대해 무한 주기 어레이 환경에서 분석된다. 플롯(630)은 상이한 기판 두께, 즉, 20mil, 30mil, 50mil 및 60mil에 대해 1A2의 쌍극자 길이의 함수로서의 4개의 위상 곡선을 도시한다. 이 예에서, 위상 전이는 기판 두께 20mils, 30mils에 비해 기판 두께 50mils, 60mils의 경우에 더 매끄럽게 이루어진다. 위상 시프트는 약 3.0mm에서 30mils 미만의 기판 두께의 경우에 더 크게 변한다. 플롯(632)은 대응하는 기판 두께에 대한 4개의 진폭 곡선을 도시하는데, 진폭 손실은 약 3.0mm의 쌍극자 길이에서 다른 기판 두께 50mil, 60mil에 비해 기판 두께가 약 20mil, 30mil로 설정될 때 더 크다. 플롯(642)과 비교할 때, 플롯(632)의 진폭 손실은 20mils의 기판 두께에서 더 작게 나타난다. 플롯(640 및 642)은 입사 평면파가 방위각 0도 및 고도각 50도로 설정될 때의 위상 및 진폭 곡선을 각각 도시한다. 플롯(630 및 632)과 비교할 때, 플롯(640)의 위상 곡선은 기판 두께 50mils, 60mils에서 더 빠르게 변하는 위상을 나타내는 것으로 보이며, 진폭 손실은 대응하는 쌍극자 길이에서의 기판 두께 50mils, 60mils에 대해 플롯(642)에서 더 우세하다.
다시 도 3을 참조하면, 단계 306에서, 안테나 사양으로부터 위상 전용 패턴 합성에 의해 반사어레이 표면 상의 타겟 위상 분포가 결정된다. 특정 방향에서 고이득 펜슬 빔 패턴에 대한 반사어레이 안테나를 설계하는 것은 분석 방정식을 사용하여 결정될 수 있지만, 비표준 빔(noncanonical beams)의 패턴 합성은 도전적인 것이며, 5G 무선 애플리케이션과 같이 엄격한 사양을 갖는 애플리케이션에서는 최적화 알고리즘을 사용해야 한다. 단계 306에서의 위상 전용 패턴 합성은 코폴라(copolar) 및 크로스폴라(crosspola) 사양을 포함하는 5G 무선 통신을 위한 반사어레이 안테나의 패턴 최적화를 제공한다. 일부 구현에서, 패턴 합성은 반사어레이 셀의 최적화를 위한 일반화된 교차 접근법(Intersection Approach: IA) 알고리즘의 사용에 기초한다. 일부 구현에서, 본 기술의 패턴 합성은 두 단계로 분할된다. 첫째, 원하는 형상의 방사 패턴을 생성하는 위상 시프트 분포를 획득하기 위해 IA 알고리즘을 사용하여 위상 전용 합성 접근법이 수행된다. 둘째, 각 셀의 치수를 조정함으로써(예컨대, 각 셀의 쌍극자 길이를 수정함으로써) 반사어레이 안테나의 레이아웃이 획득된다.
본 기술에서, 반사어레이 셀은 큰 입사각에 대해 두 선형 편광 모두에 대해 동일한 위상 시프트를 제공하도록 최적화된다. 이와 관련하여, 각 선형 편광에 대해 하나씩 두 개의 위상 시프트 분포를 획득하기 위해 패턴 합성이 수행된다. 일부 양태에서는, 두 선형 편광 모두에 대해 동일한 위상 시프트 분포가 사용될 수 있다.
이제, 본 기술의 다양한 구현에 따른, 반사어레이 안테나 설계를 최적화하기 위해 도 3의 단계 306에서 설명된 위상 전용 패턴 합성을 수행하는 예시적인 프로세스(700)의 흐름도를 도시하는 도 7에 주목한다. 설명을 위해, 예시적인 프로세스(700)는 여기에서 주로 도 24의 전자 시스템(2400)을 참조하여 설명되지만, 예시적인 프로세스(700)는 도 2의 전자 시스템(2400)으로 제한되지 않으며, 예시적인 프로세스(700)는 도 24의 전자 시스템(2400)의 하나 이상의 다른 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 추가로 설명의 목적을 위해, 예시적인 프로세스(700)의 블록들은 여기에서 직렬로 또는 선형적으로 발생하는 것으로 설명된다. 그러나, 예시적인 프로세스(700)의 다수의 블록은 병렬로 발생할 수 있다. 또한, 예시적인 프로세스(700)의 블록들은 도시된 순서와 상이한 순서로 수행될 수 있고/있거나 예시적인 프로세스(700)의 블록들 중 하나 이상은 수행되지 않을 수 있다.
예시적인 프로세스(700)는 적어도 피드 위치에 기초하여 커버리지 영역이 결정되는 단계 702에서 시작한다. 이 단계는 UE에 대한 BS의 지오메트리 설정을 결정하는 것을 포함한다. 지오메트리 설정은 반사어레이 안테나로부터의 거리, 반사어레이 안테나 자체의 방향 및 위치를 포함하면서 무선 네트워크 내에서의 BS의 위치를 포함한다. 이제, 반사어레이 안테나(800)의 중심에 위치한 데카르트(x, y, z) 좌표계로부터 D0에 위치한 BS(802)의 기하학적 설정을 도시하는 도 8에 주목한다. 반사어레이 안테나(800)는 조준(boresight)을 나타내는 y축과 함께 x축을 따라 위치한다. 기지국(802)은 고도각(
Figure pct00005
) 및 방위각(
Figure pct00006
)을 갖는다. 기하학적 설정을 결정하는 것은, 예를 들어 레이저 거리 측정기 및 각도 측정기와 같은 간단한 기하학적 도구를 수반하는 간단한 절차임에 유의한다. 이는 반사어레이 안테나(800)의 설정의 용이함을 강조하며, 실내든 실외든 관계없이 임의의 5G 무선 환경에 쉽게 배포할 수 있는 제조 가능성이 높은 반사어레이를 통해 저비용으로 상당한 무선 커버리지 및 성능 향상이 달성될 때 그 사용을 더욱 장려한다. 반사어레이 안테나(800)는, 예를 들어
Figure pct00007
의 고도각 및
Figure pct00008
의 방위각을 갖는 반사어레이 안테나(800)로부터 거리 D1에 위치한 UE(804)와 같은, BS(802)에 의해 서빙되는 5G 네트워크 내의 UE로부터의 입사 RF 파를 반사하는 데 사용될 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 단계 704에서, 적어도 피드 위치 및 반사어레이 표면의 초기 기하학적 파라미터에 기초하여 반사어레이 표면의 접선 반사 전기장이 계산된다. 본 기술의 패턴 합성은 접선 반사 전기장 상에서 각 반복 i에서 두 가지 동작을 수행하는 반복 알고리즘이므로, 알고리즘의 작동 원리는 다음과 같이 설명될 수 있다:
Figure pct00009
여기서
Figure pct00010
는 순방향 프로젝터(안테나 사양을 준수하는 전기장 세트에 안테나에 의해 방사된 전기장을 투영함)이고,
Figure pct00011
는 역방향 프로젝터(안테나에 의해 방사될 수 있는 전기장 세트에 안테나 사양을 준수하는 전기장을 투영함)이며,
Figure pct00012
는 반사어레이 표면 상에서의 접선 반사 전기장이다. 도 4를 다시 참조하면, 반사어레이 안테나(404)는 피드(402)에 의해 조명되어 표면에 입사 전기장을 생성한다. 각 반사어레이 요소에서 반사어레이 표면 상의 접선 반사 전기장은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00013
여기서
Figure pct00014
은 반사 계수 행렬이고,
Figure pct00015
은 반사어레이 요소(l)의 중심 좌표이며,
Figure pct00016
는 피드로부터 충돌하는 고정 입사 전기장이다. 행렬
Figure pct00017
의 성분은 반사어레이 셀의 전자기 동작을 완전히 특성화하는 복소수이다. 반사 계수 행렬은 다음과 같은 형태를 취한다:
Figure pct00018
여기서
Figure pct00019
및
Figure pct00020
은 직접 계수로 알려져 있고,
Figure pct00021
및
Figure pct00022
은 교차 계수로 알려져 있다. 코폴라 패턴은 직접 계수에 의존할 수 있으며, 크로스폴라 패턴은 모든 계수에 의존한다. 일부 양태에서, 계수는 국부적 주기성을 가정하는 전파 분석 도구(full-wave analysis tool)로 계산된다.
이어서, 단계 706에서, 반사어레이 안테나의 중심에 있는 초점에서 알고리즘이 시작되는데, 여기서 요소의 약 20%가 중심에 초점이 맞춰진다. 이는 반사어레이 안테나의 중심이 피드에 의해 가장 많이 조명되기 때문이다.
방사 패턴 최적화의 일부로서, 코폴라 및 크로스폴라 성분에 방사 패턴 사양이 부과된다. 본 기술의 패턴 합성을 수행할 때, 반사어레이 셀 분석의 단순화로 인해 코폴라 요구 조건만 고려된다. IA 알고리즘에서, 코폴라 사양은 두 개의 마스크 템플릿, 즉, 코폴라 방사 패턴이 그 사이에 놓일 것으로 예상되는 최소 및 최대 임계값인 최소(Tmin) 및 최대(Tmax) 값으로 표현된다. 이와 관련하여, 마스크 임계값에 대한 코폴라 이득(
Figure pct00023
)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00024
여기서
Figure pct00025
및
Figure pct00026
는 원거리장(far field)이 계산되는 각도 좌표이다.
다음에, 단계 708에서, 미리 결정된 고도 평면 및 미리 결정된 방위각 평면에서 커버리지 영역을 향하는 디포커싱된 방사 빔에 적어도 기초하여, 반사어레이 표면 상에서의 코폴라 반사 계수에 대한 초기 위상 분포가 결정된다. 위에서 논의한 바와 같이, 패턴 합성의 목적은 원하는 형상의 방사 패턴을 생성하는 위상 시프트 분포를 획득하는 것이다. 이와 관련하여, 패턴 합성을 위한 초기 위상 분포는 분석적으로 획득될 수 있는데, 이는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00027
여기서
Figure pct00028
은 직접 반사 계수의 위상(선형 편광 X 및 Y에 대해 각각
Figure pct00029
또는
Figure pct00030
)이고, dl은 피드로부터 l번째 요소까지의 거리이고(도 4의 410 참조), d0은 디포커싱된 빔에 대응하는 피드의 변위(디포커싱 거리)이며,
Figure pct00031
은 포커싱된 빔의 포인팅 방향이다. 일부 양태에서, 각도
Figure pct00032
는 원하는 형상의 빔이 비교적 높은 이득을 갖는 방향으로 선택된다. 이와 관련하여, 디포커싱된 빔은 펜슬 빔이 최대 이득을 갖는 방향에 대응하는 방향을 향한다.
이어서, 단계 710에서, 제1 목표 이득을 사용하여 초기 위상 분포에 대해 반복적 패턴 합성 알고리즘의 제1 단계가 수행된다. 일부 구현에서, 반복적 패턴 합성 알고리즘의 각 단계는 순방향 투영 동작 및 역방향 투영 동작을 수행하는 것을 포함한다. 일부 양태에서, 순방향 투영 동작은 양쪽 선형 편광에 대해 원거리장의 방사 패턴을 계산하는 것, 및 안테나에 의해 방사되는 전류 이득의 원거리장 이득을 트리밍하는 것을 포함한다. 일부 구현에서, 각 단계는 동일한 파라미터를 사용하여 동작의 고정된 수의 반복을 수행할 수 있다. 일부 양태에서, 수행되는 반복의 수는 구현에 따라 단계들 간에 다를 수 있다.
일부 구현에서, 반사어레이 셀은 손실이 없고(예컨대,
Figure pct00033
=
Figure pct00034
= 1) 요소 교차편광이 없는(예컨대,
Figure pct00035
=
Figure pct00036
= 0) 이상적인 위상 시프터로서 모델링된다. 따라서, 반사 계수 행렬은 다음과 같이 단순화된다:
Figure pct00037
여기서
Figure pct00038
은 대응하는 반사 계수의 위상이다. 이와 관련하여, 각 편광의 접선 반사 전기장은 두 직접 계수, 즉,
Figure pct00039
및
Figure pct00040
의 위상에 기초한다. 반사어레이 안테나는 평면 개구로 분류될 수 있으며, 원거리장은 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, FFT는 반사어레이 안테나에 의해 방사되는 전류 원거리장을 계산한다.
X 편광에 대한 원거리 방사 패턴은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00041
Figure pct00042
반면, Y 편광의 경우 원거리 방사 패턴은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00043
Figure pct00044
여기서:
Figure pct00045
일부 구현에서, 두 선형 편광에 대한 코폴라 성분은 구면 좌표의 원거리장으로부터 획득된다. 코폴라 원거리장 복사 패턴이 획득되면, 제곱 전기장 진폭 또는 이득이 계산된다. 예를 들어, 이득은 피드에 의해 방출되는 총 전력을 계산함으로써 추정될 수 있다. 순방향 투영 동작은 또한 마스크 임계값에 따라 원거리장 이득을 트리밍하는 것을 포함한다(예컨대,
Figure pct00046
≤
Figure pct00047
≤
Figure pct00048
). 예를 들어, 반사어레이 안테나의 전류 이득이 Tmax보다 크면 Gcp는 Tmax로 감소하고, 반대로 Gcp가 Tmin보다 작으면 Gcp는 Tmin으로 증가한다. 순방향 투영 동작에 의한 트리밍 동작의 결과는 안테나 사양을 준수하는 수정된 원거리장이다.
역방향 투영 동작은 트리밍된 이득과 안테나에서 방사된 전류 이득 사이의 거리를 최소화함으로써 안테나 사양을 충족시키기 위해 더 가까운 방사 패턴을 생성하는 접선 반사 전기장을 획득한다. 따라서 역방향 투영 동작은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00049
일부 구현에서, 역방향 투영 동작은 LMA(Levenberg-Marquardt Algorithm)와 같은 최소화 알고리즘에 의해 수행된다. 최적화 변수는 X 편광의 경우
Figure pct00050
이고 Y 편광의 경우
Figure pct00051
인 반사 계수의 위상일 수 있다. 다른 구현에서는, IA 알고리즘을 사용하여 직접 최적화 레이아웃이 수행될 수 있는데, 여기서 최적화 변수는 반사 계수의 위상 대신 쌍극자 길이를 나타낸다. 일부 양태에서, 2개의 편광은 독립적으로 합성될 수 있다. 일부 구현에서, LMA를 사용한 역방향 투영 동작은, 무엇보다도, 야코비안 행렬(Jacobian matrix: J)로 기울기 계산을 수행하는 것과, 행렬 곱셈(JTJ)을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
다음에, 단계 712에서, 반복적 패턴 합성 알고리즘의 다음 단계가 이용가능한지 여부에 대한 판정이 이루어진다. 알고리즘의 다음 단계가 이용 가능하면, 프로세스(700)는 단계 714로 진행한다. 그렇지 않으면, 프로세스(700)는 단계 718로 진행한다. 일부 구현에서, 패턴 합성 알고리즘은 알고리즘의 다른 단계가 이용 가능한지 여부에 대한 알고리즘의 수렴을 결정하는 것을 포함한다. 이와 관련하여, 알고리즘이 수렴하지 않으면, 프로세스(700)는 단계 714로 진행한다.
위에서 논의된 바와 같이, 알고리즘은 반사어레이 안테나의 중심에서의 초점으로 시작하는데, 여기서 요소의 약 20%는 중심에 포커싱되어 있다. 일부 양태에서, 중심 주위의 셀의 고리만을 최적화하도록 조명의 최소 및 최대 임계 레벨을 설정함으로써, 초점은 각각의 후속 단계에서 중심 주위의 추가 요소로 증가된다. 조명 레벨에 따라 최적화(및/또는 향상)가 필요한 셀이 선택될 수 있다. 일부 구현에서, 다음 단계의 반복 횟수를 조정하는 방법을 결정하기 위해 각 단계 이후의 오류가 계산된다.
단계 714에서, 이득은 제1 목표 이득보다 큰 제2 목표 이득으로 증가된다. 일부 구현에서, 이득은 점진적으로(예컨대, 0.5dB 증분만큼) 증가한다. 다른 양태에서, 이득의 증가는 커버리지 영역 내의 반사어레이 안테나의 중심 주위에 있는 고정된 수의 반사어레이 요소에 대한 미리 결정된 조명 레벨에 대응한다. 이와 관련하여, 이득의 점진적인 증가는 조정된 포커싱된 빔에 대응할 수 있다. 패턴 합성은 알고리즘의 수렴을 더욱 향상시키기 위해 이득을 점진적으로 증가시키면서 다수의 단계로 수행된다.
단계 716에서, 제2 목표 이득을 사용하여 초기 위상 분포에 대해 반복적 패턴 합성 알고리즘의 다음 단계가 수행된다. 단계 716의 종료 시에, 프로세스(700)는 다음 단계가 이용 가능한지 여부를 판정하는 단계 712로 다시 진행한다.
단계 718에서, 패턴 합성의 결과로부터 반사어레이 표면 상의 타겟 위상 분포가 결정된다. 본 명세서에서 "타겟 위상 분포"라는 용어는 패턴 합성과의 관련성을 나타내기 위해 "합성된 위상 분포"라는 용어를 지칭할 수 있으며, 용어는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상호 교환가능하게 사용될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 단계 308에서 위상 곡선으로부터의 위상은 특정 선형 편광에서의 반사어레이 셀에 대한 타겟 위상 분포의 위상과 비교된다. 그 후, 단계 310에서, 비교된 위상이 일치하는지 여부에 대한 판정이 이루어진다. 위상들이 일치하면, 프로세스(300)는 단계 314로 진행한다. 그렇지 않으면, 프로세스(300)는 단계 312로 진행한다.
단계 312에서, 계산된 위상 곡선을 사용하여 해당 반사어레이 셀에 대해 타겟 위상 분포의 위상과 일치하는 위상에 대응하는 반사어레이 셀 상의 하나 이상의 쌍극자 길이가 조정된다. 다시 도 7을 참조하면, 단계 720에서, 합성된 위상 분포로부터 반사어레이 셀의 기하학적 파라미터가 정제된다. 예를 들어, 각 반사어레이 셀의 쌍극자 길이는 해당 요소에 의해 제공되는 위상 시프트가 합성된 위상 분포에 표시된 대응하는 위상 시프트와 일치하도록 조정된다. 일부 양태에서는, 필요한 위상 시프트를 제공하는 쌍극자 크기의 값을 근사화하기 위해 선형 방정식이 사용된다.
다음에, 단계 314에서, 다음 선형 편광이 존재하는지에 대한 판정이 이루어진다. 다음 선형 편광이 존재하면, 프로세스(300)는 다시 단계 308로 진행한다. 그렇지 않으면, 프로세스(300)는 단계 316으로 진행한다. 일부 구현에서, 쌍극자 길이 조정은 2개의 선형 편광에 대해 독립적으로 수행된다. 예를 들어, 단계 312에서 이루어진 초기 쌍극자 길이 조정은 X 편광에 대한 것일 수 있고, 단계 314는 Y 편광에서의 쌍극자 길이 조정이 필요하다고 판정하고, 그 반대도 마찬가지이다.
단계 316에서, 다음 반사어레이 셀이 존재하는지 여부에 대한 판정이 이루어진다. 다음 반사어레이 셀이 존재하면, 프로세스(300)는 단계 308로 다시 진행한다. 그렇지 않으면, 프로세스(300)는 단계 318로 진행한다. 여기서, 모든 반사어레이 셀이 처리된 경우, 프로세스(300)는 원하는 형상의 방사 패턴을 생성하는 최종 반사어레이 안테나 레이아웃을 결정하기 위해 단계 318로 진행한다.
이어서, 단계 318에서, 미리 결정된 반사 계수를 사용하여 반사어레이 안테나의 제1 방사 패턴이 각각의 선형 편광에 대해 계산된다. 예를 들어, 제1 방사 패턴은 수학식 7 내지 수학식 10에서 방사된 원거리장의 분석적 표현을 사용하여 생성될 수 있다. 다음에, 단계 320에서, 조정된 하나 이상의 쌍극자 길이를 사용하여 반사어레이 안테나의 제2 방사 패턴이 각각의 선형 편광에 대해 계산된다. 합성된 위상 분포에 대해 FFT 동작을 수행함으로써 제2 방사 패턴이 생성될 수 있다. 일부 양태에서, 제2 방사 패턴은 전체 가시 영역에 대한 u-v 평면에서 원거리장의 코폴라 성분 및/또는 원거리장의 크로스폴라 성분을 포함할 수 있다.
이어서, 단계 322에서, 제1 방사 패턴을 제2 방사 패턴과 비교함으로써 반사어레이 안테나의 기하학적 파라미터가 검증된다. 일부 양태에서, 2개의 방사 패턴은 이득 및/또는 손실에서의 임의의 차이를 결정하기 위해 비교될 수 있다. 일부 구현에서는, 사양이 충족되는 방법을 더 잘 결정하기 위해 마스크 임계값과 함께 선형 편광 모두에 대한 고도 및 방위각의 메인 컷이 획득된다. 일부 양태에서는, 최소 및 최대 임계 레벨과 관련하여 측엽 레벨(Side Lobe Level: SLL)이 관찰될 수 있다.
다음에, 단계 324에서, 검증된 기하학적 파라미터는 반사어레이 안테나를 제작하는 데 제공되는데, 여기서 각 셀은 최적화된 쌍극자 길이 및 셀 기하학적 파라미터로 제작되며, 이는 두 선형 편광에 대한 타겟 위상 분포를 생성한다. 일부 양태에서, 검증된 기하학적 파라미터를 갖는 반사어레이 안테나 설계는, 전자 디바이스(도 24 참조)에 의해, 전자 디바이스의 네트워크 인터페이스를 통하고 네트워크를 거쳐, 하나 이상의 제작 프로세스를 실행하는 다른 전자 디바이스에 제공된다.
반사어레이가 제작되면, 실내든 실외든 관계없이, 5G 또는 기타 무선 애플리케이션의 무선 커버리지 및 성능을 크게 향상시키기 위한 배치 및 동작의 준비가 완료된다. 설계가 완료되고 반사어레이가 제조되어 고성능 무선 애플리케이션을 가능하게 하는 환경에 배치된 후에도, 반사어레이는 반사어레이에 부착된 회전 메커니즘을 사용하여 조정될 수 있음에 유의한다. 많은 구성에 추가하여, 본 명세서에 개시된 반사어레이는 무선 네트워크에서 UE와 UE를 서빙하는 BS 사이의 무선 통신을 개선하기 위해 포커싱되고 지향된 좁은 빔을 생성할 수 있다. 반사어레이는 비용이 저렴하고, 제조 및 설정이 쉬우며, 5G 또는 무선 네트워크 운영자가 동작을 조정할 필요 없이 자체 보정될 수 있다. 이는 수동(또는 통합형 송신기의 경우 능동)일 수 있고, MIMO형 이득을 달성하고, 다중 경로 환경을 풍성하게 할 수 있다. 이러한 반사어레이는 5G의 원하는 성능 및 고속 데이터 통신 약속을 효과적으로 가능하게 하는 것으로 인식된다.
도 9a 내지 도 9d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 주어진 반사어레이 셀(예컨대, 도 4의 반사어레이 구성(400))에 대해 X-편광 및 Y-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시한다. 이 예에서 고려된 반사어레이 안테나는 직사각형이며 31,684개의 셀(주축의 178개 요소)로 구성된다. 주기성은 양쪽 축에서 4.5mm로, 이는 격자 로브를 최소화(또는 방지)하기 위해 27.7GHz의 작동 주파수에서의 파장의 절반 미만이다. 피드와 반사어레이 안테나 사이의 거리가 43m인 경우에 피드(또는 기지국)는 반사어레이의 중심에 대해 (-33.5, -10.3, 24.9)m에 배치될 수 있다. 반사어레이 구성(400)은 쌍극자들 사이에 약 0.7mm의 간격을 갖고, 모든 쌍극자의 폭은 약 0.25mm이다. 쌍극자 길이는 LA1(LB1) = 0.65*LA2(LB2)로 설정된다. 원거리장 사양과 관련하여, 5G 기지국에 대해 선택된 패턴은 방위각 범위에서 일정한 전력 플럭스를 제공하기 위해 방위각에서 제곱 코시컨트 빔(squared cosecant beam)과 고도에서 부채꼴 빔을 갖는다. 빔은 16°의 고도각과 0°의 방위각을 가리킨다. 이 방향은 높은 이득으로 마스크하는 사양의 영역에 대응할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에서, 플롯(910 및 912)은, 반사어레이 안테나의 중심에서 피드(또는 기지국)로부터 입사각에 대응하는 각도(θ = 54.5°,
Figure pct00052
= 17°)로 충돌하는 선형 편광 평면파의 무한 주기 어레이 모델 및 경사 입사를 가정하면서 X 편광에 대한 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선을 각각 도시한다. 도 9c 및 도 9d에서, 플롯(920 및 922)은 도 9a 및 도 9b의 플롯에 도시된 것과 동일한 조건하에서 획득된 Y-편광에 대한 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선을 각각 도시한다.
도 10은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 9의 반사어레이 셀과 함께 사용하기 위한 X-편광 및 Y-편광에 대한 타겟 위상 시프트 분포의 플롯 다이어그램을 도시한다. 플롯(1010)은 도 7에서 설명된 바와 같은 패턴 합성 동작으로부터 출력되는 합성된 위상 분포를 나타낸다. 일부 양태에서, 플롯(1010)은 주축에 대한 요소의 어레이를 도시하는데, 여기서 어레이의 특정 i번째 요소의 위치는 두 선형 편광 모두에 대한 필요한 위상 시프트에 대응한다. 플롯(1020)에서, 합성된 위상 분포는 주어진 쌍극자 길이에 대한 X-편광에 관한 것이다. 유사하게, Y-편광에서의 쌍극자 길이에 관련된 합성된 위상 분포가 플롯(1030)에 도시되어 있다. 일부 구현에서는, 두 선형 편광에서 동일한 위상 분포가 구현된다. 일부 양태에서, 반사어레이 안테나는 입사 전기장의 편광에 따라 이중 LP(Linear Polarization) 또는 이중 CP(Circular Polarization)로 방사할 수 있다.
도 11a 내지 도 11f는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 10의 합성된 위상 분포로부터의 원하는 방사 패턴을 도시하는 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 11a에서, 플롯(1110)은 마스크 임계값(1112 및 1114)(각각 마스크 1 및 마스크 2로 도시됨)과 함께 X-편광의 코폴라 패턴에 대한 고도에서의 메인 컷을 나타낸다. 마스크 임계값(1112)은 최대 이득 임계값에 대응하고, 마스크 임계값(1114)은 최소 이득 임계값에 대응한다. 방사 패턴 신호(1116)는 -25°내지 +25°의 방위각 범위 내에서 최소 임계값과 최대 임계값 사이에서 계산되는 전류 이득을 갖는다. 도 11b는 원하는 방사 패턴의 코폴라 성분의 3차원 표현인 원거리장 방사 패턴(1120)을 도시한다. 도 11c 및 도 11d에서, 플롯(1130 및 1132)은 중심 주파수(또는 사전 합성 계산)에서 코폴라 및 크로스폴라 반사 계수에 대해 미리 결정된 진폭 및 위상을 사용하는 편광 X에 대한 초기 방사 패턴을 각각 도시하는데, 여기서는 원거리장의 코폴라 및 크로스 폴라 성분이 전체 가시 영역에 대한 u-v 평면에 각각 도시된다. 예를 들어, 플롯(1130 및 1132)은 27.7GHz의 작동 주파수에서의 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시하는데, 이는 필요한 위상 시프트를 제공하고 유전 손실이 0인 이상적 반사어레이 셀(또는 이상적 위상 시프터)을 고려함으로써 생성된다. 도 11e 및 도 11f에서, 플롯(1140 및 1142)은 합성된 위상 분포를 사용하는 편광 X에 대한 원하는 방사 패턴의 코폴라 및 크로스폴라 성분을 각각 도시한다. 일부 예에서, 플롯(1130)(도 11d)의 커버리지 영역 내의 코폴라 최대값은 약 3.21dBi인 반면, 플롯(1140)(도 11e)의 커버리지 영역 내의 코폴라 최대값은 약 2.16dBi, 즉, 플롯(1130)에 비해 약 1dB 손실이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 주어진 반사어레이 셀(예컨대, 도 4의 반사어레이 구성(400))에 대해 X-편광 및 Y-편광에 대한 쌍극자 길이의 함수로서의 위상 및 진폭 곡선의 플롯 다이어그램을 도시한다. 이 예에서 고려된 반사어레이 안테나는 직사각형이며 4,356개의 셀(주축의 66개 요소)로 구성된다. 주기성은 양쪽 축에서 4.5mm로, 이는 격자 로브를 최소화(또는 방지)하기 위해 작동 주파수 27.7GHz에서의 파장의 절반 미만이다. 피드와 반사어레이 안테나 사이의 거리가 15m인 경우에 피드(또는 기지국)는 반사어레이의 중심에 대해 (-11.7, -1.3, 9.3)m에 배치될 수 있다. 반사어레이 구성(400)은 쌍극자들 사이에 약 0.7mm의 간격을 갖고, 모든 쌍극자의 폭은 약 0.25mm이다. 쌍극자 길이는 LA1(LB1) = 0.65*LA2(LB2)로 설정된다. 원거리장 사양과 관련하여, 5G 기지국에 대해 선택된 패턴은 방위각 범위에서 일정한 전력 플럭스를 제공하기 위해 방위각에서의 제곱 코시컨트 빔과 고도에서의 부채꼴 빔을 갖는다. 빔은 16°의 고도각과 0°의 방위각을 가리킨다. 이 방향은 높은 이득으로 마스크하는 사양의 영역에 대응할 수 있다. 도 12a 및 도 12b에서, 플롯(1210 및 1212)은, 반사어레이 안테나의 중심에서 피드(또는 기지국)로부터 입사각에 대응하는 각도(θ = 51.7°,
Figure pct00053
= 6.35°)로 충돌하는 선형 편광 평면파의 무한 주기 어레이 모델 및 경사 입사를 가정하면서 X 편광에 대한 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선을 각각 도시한다. 도 12c 및 도 12d에서, 플롯(1220 및 1222)은 도 12a 및 도 12b의 플롯에 도시된 것과 동일한 조건하에서 획득된 Y-편광에 대한 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선을 각각 도시한다.
도 13은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 12의 반사어레이 셀과 함께 사용하기 위한 X-편광 및 Y-편광에 대한 타겟 위상 시프트 분포의 플롯 다이어그램을 도시한다. 플롯(1310)은 도 7에서 설명된 바와 같은 패턴 합성 동작으로부터 출력되는 합성된 위상 분포를 나타낸다. 일부 양태에서, 플롯(1310)은 주축에 대한 요소의 어레이를 도시하는데, 여기서 어레이의 특정 i번째 요소의 위치는 두 선형 편광 모두에 대한 필요한 위상 시프트에 대응한다. 플롯(1320)에서, 합성된 위상 분포는 주어진 쌍극자 길이에 대한 X-편광에 관한 것이다. 유사하게, Y-편광에서의 쌍극자 길이에 관련된 합성된 위상 분포가 플롯(1330)에 도시되어 있다. 일부 구현에서는, 두 선형 편광에서 동일한 위상 분포가 구현된다. 일부 양태에서, 반사어레이 안테나는 입사 전기장의 편광에 따라 이중 LP(Linear Polarization) 또는 이중 CP(Circular Polarization)로 방사할 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 13의 합성된 위상 분포로부터의 원하는 방사 패턴을 도시하는 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 14a에서, 플롯(1410)은 마스크 임계값(1412 및 1414)(각각 마스크 1 및 마스크 2로 도시됨)과 함께 X-편광의 코폴라 패턴에 대한 고도에서의 메인 컷을 나타낸다. 마스크 임계값(1412)은 최대 이득 임계값에 대응하고, 마스크 임계값(1414)은 최소 이득 임계값에 대응한다. 방사 패턴 신호(1416)는 -25°내지 +25°의 방위각 범위 내에서 최소 임계값과 최대 임계값 사이에서 계산되는 전류 이득을 갖는다. 도 14b에서, 플롯(1420)은 중심 주파수(또는 사전 합성 계산)에서 코폴라 및 크로스폴라 반사 계수에 대해 미리 결정된 진폭 및 위상을 사용하는 편광 X에 대한 초기 방사 패턴을 도시하는데, 여기서는 원거리장의 코폴라 성분이 전체 가시 영역에 대한 u-v 평면에 도시된다. 예를 들어, 플롯(1420)은 27.7GHz의 작동 주파수에서의 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시하는데, 이는 필요한 위상 시프트를 제공하고 유전 손실이 0인 이상적 반사어레이 셀(또는 이상적 위상 시프터)을 고려함으로써 생성된다. 도 14c는 원하는 방사 패턴의 코폴라 성분의 3차원 표현인 원거리장 방사 패턴(1430)을 도시한다.
도 15a 내지 도 15d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 방사 패턴에 대해 중심 주파수에서 방위각 및 고도에서의 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 15a 및 도 15b에서, 플롯(1510 및 1512)은 이상적 반사어레이 셀(CP | Ideal로 표시됨), 설계된 반사어레이 셀의 미리 계산된 반사 계수(CP/XP | Coefs로 표시됨), 및 최적화된 쌍극자로 설계된 반사어레이 안테나의 전파(full-wave) 시뮬레이션(CP/XP | Dips로 표시됨)을 사용하여 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 미리 계산된 반사 계수를 사용하는 방사 패턴은 방위각에서 관찰 가능할 정도로 더 작은 이득을 갖는 이상적 반사어레이 셀을 사용하여 얻은 방사 패턴에 상당히 대응하고, 최적화된 쌍극자로 설계된 반사어레이의 전파 시뮬레이션을 사용하여 획득된 방사 패턴은 방위각 및 고도에서 미리 계산된 반사 계수를 사용하는 방사 패턴에 밀접하게 대응한다. 도 15c 및 도 15d에서, 플롯(1520 및 1522)은 다양한 정도의 쌍극자 길이(CP/XP | ΔL로 표시됨)로 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 방사 패턴들은 쌍극자 길이의 변화에 관계없이 고도와 방위각 모두에서 서로 대응하는 것으로 관찰된다.
도 16은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 도 14의 원하는 방사 패턴과 함께 사용하기 위한 X-편광 및 Y-편광에 대한 중심 주파수에서의 위상 오차의 플롯 다이어그램을 각도 단위로 도시한다. 플롯(1610)은 도 7에서 설명된 바와 같은 패턴 합성 동작으로부터 출력되는 합성된 위상 분포를 나타낸다. 일부 양태에서, 플롯(1610)은 주축에 대한 요소의 어레이를 도시하는데, 여기서 어레이의 특정 i번째 요소의 위치는 두 선형 편광 모두에 대한 필요한 위상 시프트에 대응한다. 플롯(1620)에서, 합성된 위상 분포에 대한 위상 오차는 X-편광에 관한 것이다. 유사하게, Y-편광에 관련된 합성된 위상 분포에 대한 위상 오차가 플롯(1630)에 도시되어 있다.
도 17a 내지 도 17d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 작동 주파수 및 기판에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 17a 및 도 17b에서, 플롯(1710 및 1712)은 제1 임계 주파수(CP/XP | 27.2GHz로 표시됨), 중심 주파수(CP/XP | 27.7GHz로 표시됨) 및 제2 임계값 주파수(CP/XP | 28.2GHz로 표시됨)에서 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 방사 패턴은 서로 상당히 대응하는 것으로 보이지만, 제1 및 제2 임계 주파수에서 획득된 방사 패턴은 중심 주파수에서 획득된 방사 패턴보다 더 작은 이득을 갖는데, 여기서 제2 임계 주파수에서 획득된 방사 패턴은 제1 임계 주파수에서 획득된 방사 패턴보다 더 작은 이득을 갖는다. 도 17c 및 도 17d에서, 플롯(1720 및 1722)은 제1 손실 탄젠트(CP/XP | tanδ=0.0125로 표시됨), 제2 손실 탄젠트(CP/XP | tanδ=0.025로 표시됨), 및 제3 손실 탄젠트(CP/XP | tanδ=0.05로 표시됨)를 갖는 기판으로 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 방사 패턴은 고도와 방위각 모두에서 서로 상당히 대응하는 것으로 관찰되지만, 제1 손실 탄젠트를 가진 기판은 가장 큰 이득을 가진 복사 패턴을 생성하고, 제3 손실 탄젠트를 가진 기판은 가장 작은 이득을 가진 복사 패턴을 생성한다.
도 18a 내지 도 18d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 기판 유전율에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 18a 및 도 18b에서, 플롯(1810 및 1812)은 제1 기판 유전율(CP/XP | εr = 3.65로 표시됨), 제2 기판 유전율(CP/XP | εr = 3.45로 표시), 및 제3 기판 유전율(CP/XP | εr = 3.85로 표시)에서 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 복사 패턴은 기판 유전율의 변화에 관계없이 서로 상당히 대응하는 것으로 보인다. 도 18c 및 도 18d에서, 플롯(1820 및 1822)은 상이한 기판 유전율에 대응하는 편광 X에 대한 방사 패턴을 각각 도시하는데, 여기서는 원거리장의 코폴라 성분이 전체 가시 영역에 대한 u-v 평면에 도시되어 있다. 예를 들어, 플롯(1820)은 기판 유전율 εr = 3.65를 갖는 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시하는 반면, 플롯(1822)은 기판 유전율 εr = 3.85를 갖는 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시한다. 플롯(1820)에 대한 일부 변동이 플롯(1822)에서 관찰될 수 있다.
도 19a 내지 도 19d는 본 기술의 다양한 구현에 따른, 상이한 양의 유전체 두께에 대한 방위각 및 고도에서의 방사 패턴 메인 컷의 플롯 다이어그램을 도시한다. 도 19a 및 도 19b에서, 플롯(1910 및 1912)은 제1 유전체 두께(CP/XP | h = 1.5mm로 표시됨), 제2 유전체 두께(CP/XP | h = 1.37mm로 표시됨), 및 제3 유전체 두께(CP/XP | h = 1.63mm로 표시됨)에서 획득된 방사 패턴의 메인 컷을 각각 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 방사 패턴은 유전체 두께의 변화에 관계없이 서로 상당히 대응하는 것으로 보인다. 도 19c 및 도 19d에서, 플롯(1920 및 1922)은 상이한 유전체 두께에 대응하는 편광 X에 대한 방사 패턴을 각각 도시하는데, 여기서는 원거리장의 코폴라 성분이 전체 가시 영역에 대한 u-v 평면에 도시되어 있다. 예를 들어, 플롯(1920)은 유전체 두께 h = 1.5mm를 갖는 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시하는 반면, 플롯(1922)은 유전체 두께 h = 1.37mm를 갖는 반사어레이 안테나의 방사 패턴을 도시한다. 플롯(1920)에 대한 일부 변동이 플롯(1922)에서 관찰될 수 있다.
도 20은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 실외 환경(2000)에서의 반사어레이 안테나의 예를 개념적으로 도시한다. 무선 기지국(BS)(2002)은 경기장(2030)의 지붕에 설치된 무선 라디오(2006)에 및 그로부터 무선 신호(2004)를 송신 및 수신한다. 무선 라디오(2006)는 그 커버리지 영역 내의 모바일 디바이스에 및 그로부터 무선 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 커버리지 영역은 무선 신호의 품질에 영향을 미칠 수 있는 실외 환경의 건물 또는 기타 구조물에 의해 중단될 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 경기장(2030) 및 그 구조적 특징은 가시선(Line-of-Sight: LOS) 구역을 갖도록 BS(2002) 및/또는 무선 라디오(2006)의 커버리지 영역에 영향을 미칠 수 있다. LOS 구역의 외부에 있는 UE는 어떠한 무선 액세스도 갖지 않거나, 크게 감소된 커버리지를 갖거나, 손상된 커버리지를 가질 수 있다. 5G 네트워크 트래픽에 사용되는 매우 높은 주파수 대역(예컨대, 밀리미터파 주파수)을 감안할 때, 무선 라디오(2006)의 LOS 구역 외부로 커버리지 영역을 확장하는 것은 어려울 수 있다.
무선 커버리지는 구조물(예컨대, 지붕, 벽, 기둥, 창 등)의 표면에 반사어레이 안테나를 설치함으로써 LOS 구역의 외부에 있는 사용자에 대해 상당히 개선될 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)는 경기장(2030)의 별개의 위치에 배치된다. 예를 들어, 각각의 반사어레이 안테나는 루프라인 에지에 배치될 수 있다.
반사어레이 안테나(2010 및 2012)의 각각은 네트워크 커버리지를 상당히 향상시키하기 위해 개선된 위치에 위치하는 견고하고 저렴한 수동 릴레이 안테나이다. 도시된 바와 같이, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)의 각각은 경기장(2030)의 일부에 형성, 배치, 구성, 내장, 연결된다. 예시의 목적으로 다수의 반사어레이가 도시되어 있지만, 구현에 따라 단일 반사어레이가 경기장(2030)의 외부 및/또는 또는 내부 표면에 배치될 수 있다.
일부 구현에서, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)의 각각은 무선 라디오(2006)와 LOS 구역의 내부 또는 외부에 있는 최종 사용자들 사이의 수동 중계기로서 기능할 수 있다. 다른 구현에서, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)는 반사된 무선 신호에 송신 전력의 증가를 제공함으로써 능동 중계기로서 기능할 수 있다. 비가시선("NLOS") 구역의 최종 사용자는 반사어레이 안테나(2010 및 2012)로부터 반사되는 무선 신호를 무선 라디오(2006)로부터 수신할 수 있다. 일부 양태에서, 반사어레이 안테나(2010)는 무선 라디오(2006)로부터 단일 RF 신호를 수신하고 그 신호를 타겟 위치 또는 방향으로의 포커싱된 빔(2020)으로 재지향할 수 있다. 다른 양태에서, 반사어레이 안테나(2012)는 무선 라디오(2006)로부터 단일 RF 신호를 수신하고 그 신호를 상이한 위치에 대한 상이한 위상의 다수의 반사 신호(2022)로 재지향할 수 있다. 특정 설계를 구현하고 특정 제약 조건을 충족시키기 위해 다양한 구성, 형상 및 치수가 사용될 수 있다. 반사어레이 안테나(2010 및 2012)는 도시된 환경의 임의의 원하는 위치로부터 특정 방향으로 무선 라디오(2006)로부터의 무선 신호를 직접 반사하도록 설계될 수 있다.
실외 환경(2000)의 UE 및 다른 것들에 대해, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)는 BS(2002) 및/또는 무선 라디오(2006)로부터의 RF 신호를 전략적 방향으로 반사함으로써 상당한 성능 및 커버리지 향상을 달성할 수 있다. 반사어레이 안테나(2010 및 2012)의 설계 및 각 반사어레이가 무선 커버리지 및 성능 개선을 위해 도달해야 하는 방향의 결정은, 실외 환경(2000)의 기하학적 구성(예컨대, 무선 라디오(2006)의 배치, 반사어레이 안테나(2010 및 2012)와 관련된 거리 등) 뿐만 아니라, 실외 환경(2000)에서 무선 라디오(2006)로부터 반사어레이 안테나(2010 및 2012)까지의 링크 버짓 계산을 고려한다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 바와 같이 큰 입사각에 대해 단일 계층 이중 선형 편광 반사어레이 안테나를 정의하는 새로운 패턴 합성 동작을 수행하는 것에 의한 반사어레이 안테나(2010 및 2012)의 설계 및 최적화는, LOS 및 NLOS 구역에서 원하는 커버리지 영역을 달성하는 데 도움이 될 수 있다.
도 21은 무선 커버리지 및 성능을 상당히 개선하기 위해 반사어레이가 배포될 수 있는 또 다른 환경을 도시한다. 환경(2100)에서, BS(2102)는 브리지(2104) 아래의 NLOS 구역에 위치할 수 있는 UE를 포함하는 도달 범위 내의 UE에 우수한 무선 커버리지 및 성능을 제공하기 어렵게 만드는 빌딩의 상단에 위치한다. 환경(2100) 내의 이러한 UE 및 다른 것들에 대해, 반사어레이(2106)는 UE로부터의 RF 신호를 BS(2102)에 포커싱된 방향으로 반사함으로써 상당한 성능 및 커버리지 향상을 달성한다. 반사어레이(2106)의 설계는, 위에서 더 자세히 설명된 바와 같이, 환경(2100)의 기하학적 구성(예컨대, BS(2102)의 배치, 반사어레이(2106)에 대한 거리 등) 뿐만 아니라, 환경(2100)에서 BS(2102)로부터 반사어레이(2106)로의 링크 버짓 계산을 고려한다.
반사어레이는 실외 및 실내 환경 모두에 배치될 수 있음에 유의한다. 도 22는 다양한 예에 따른 실내 환경에서의 반사어레이의 배치를 도시한다. 방(2200)의 모서리 중 하나에 무선 라디오(2202)가 배치된다. 라디오(2202)는 예컨대 고정 무선 네트워크 내에서 방(2200)에 있는 UE에 무선 커버리지를 제공한다. 고속 데이터 통신에 대한 수요가 높은 임의의 주어진 시간에 방(2200)에는 임의의 수의 UE가 있을 수 있다. 미리 결정된 위치에 반사어레이(2204-2206)를 배치하면 방(2200)에 있는 UE로부터의 RF 파가 무선 라디오(2202)에 도달할 수 있고, 이는 성능 향상을 제공할 수 있다. 반사어레이(2204-2206)에 의해 달성된 성능 향상은 모든 셀과 이들의 전도성 인쇄 요소로부터 반사된 지향성 빔의 보강 효과 때문이다. 보강 효과는 5G 무선 통신 및 기타 데이터 집약적 무선 애플리케이션을 가능하게 하는 데 중요한 수동(또는 능동) 및 저비용의 제조하기 쉬운 반사어레이로 달성됨에 유의한다. 많은 구성에 추가하여, 본 명세서에 개시된 반사어레이는 서로 다른 주파수(예컨대, 단일, 이중, 다중 대역 또는 광대역)에서 서로 다른 재료 등등으로 필요에 따라 좁거나 넓은 빔(예컨대, 방위각이 좁고 고도가 넓음)을 생성할 수 있다. 반사어레이는 임의의 무선 환경에서 광범위한 방향 및 위치에 도달할 수 있다. 이러한 반사어레이는 비용이 저렴하고, 제조 및 설정이 쉬우며, 동작을 수동으로 조정할 필요 없이 자체 보정될 수 있다.
도 23은 본 기술의 다양한 구현에 따른, 실내 환경(2300)에 배치된 반사어레이 안테나(2304)의 예를 개념적으로 도시한다. 실내 환경(2300)은 무선 통신 신호를 UE(예컨대, 셀룰러 폰)로 전송하기 위해 미리 결정된 위치(미도시)에 배치된 무선 라디오를 가질 수 있다. 예를 들어, 무선 라디오는 예컨대 고정 무선 네트워크 내에서 실내 환경(2300) 내에 위치한 하나 이상의 UE에 무선 네트워크 커버리지를 제공할 수 있다. 고속 데이터 통신에 대한 수요가 높은 임의의 주어진 시간에 실내 환경(2300)에는 임의의 수의 UE가 있을 수 있다. 위치(2302)에의 반사어레이 안테나(2304)의 배치는 반사어레이 안테나(2304)가 무선 라디오로부터의 RF 파(예컨대, 2306)를 중계된 RF 파(2308)를 통해 임의의 방향에 도달시킬 수 있도록 스캐닝 시스템(미도시)으로부터의 스캐닝 결과를 통해 결정될 수 있으며, 이는 원래의 RF 신호에 성능 향상을 제공한다. 반사어레이 안테나(2304)에 의해 달성되는 성능 향상은 반사어레이 안테나(2304)의 모든 셀 및 이러한 셀의 전도성 인쇄 요소로부터 반사된 지향된 빔의 보강 효과로 인한 것일 수 있다. 보강 효과는 5G 애플리케이션을 가능하게 하는 데 중요한 수동(또는 능동), 저비용 및 제조하기 쉬운 반사어레이로 달성될 수 있다. 많은 구성에 추가하여, 본 명세서에 개시된 반사어레이는 서로 다른 주파수(예컨대, 단일, 이중, 다중 대역 또는 광대역)에서 서로 다른 재료 등등으로 필요에 따라 좁거나 넓은 빔(예컨대, 방위각이 좁고 고도가 넓음)을 생성할 수 있다. 반사어레이는 임의의 무선 네트워크 환경에서 광범위한 방향 및 위치에 도달할 수 있다. 반사어레이는 비용이 저렴하고, 제조 및 설정이 쉬우며, 동작을 수동으로 조정할 필요 없이 자체 보정될 수 있다. 일부 구현에서, 반사어레이 안테나(2304)는 메타 구조를 포함할 수 있다.
도 24는 본 기술의 하나 이상의 구현이 구현될 수 있는 전자 시스템(2400)을 개념적으로 도시한다. 전자 시스템(2400)은, 예를 들어, 컴퓨터, 서버, 또는 일반적으로 컴퓨터 모델링에 의해 반사어레이 안테나 설계를 설계하고 최적화하기 위한 프로그램을 실행하는 임의의 전자 디바이스일 수 있다. 이러한 전자 시스템은 다양한 유형의 컴퓨터 판독가능 매체 및 다양한 다른 유형의 컴퓨터 판독가능 매체에 대한 인터페이스를 포함한다. 전자 시스템(2400)은 버스(2408), 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412), 시스템 메모리(2404)(및/또는 버퍼), 판독 전용 메모리(ROM)(2410), 영구 저장 디바이스(2402), 입력 디바이스 인터페이스(2414), 출력 디바이스 인터페이스(2406), 및 하나 이상의 네트워크 인터페이스(2416), 또는 이들의 서브세트 및 변형을 포함한다.
버스(2408)는 전자 시스템(2400)의 수많은 내부 디바이스를 통신 가능하게 연결하는 모든 시스템, 주변장치 및 칩셋 버스를 집합적으로 나타낸다. 하나 이상의 구현에서, 버스(2408)는 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412)을 ROM(2410), 시스템 메모리(2404) 및 영구 저장 디바이스(2402)와 통신 가능하게 연결한다. 이러한 다양한 메모리 유닛으로부터, 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412)은 본 개시의 프로세스를 실행하기 위해 실행할 명령어 및 처리할 데이터를 검색한다. 예를 들어, 처리 유닛(들)(2412)은 프로세스(300 및 700)와 같은 하나 이상의 프로세스를 수행하는 명령어를 실행할 수 있다. 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412)은 상이한 구현에서 단일 프로세서 또는 멀티-코어 프로세서일 수 있다..
ROM(2410)은 전자 시스템(2400)의 하나 이상의 프로세싱 유닛(들)(2412) 및 다른 모듈에 의해 필요한 정적 데이터 및 명령어를 저장한다. 한편, 영구 저장 디바이스(2402)는 판독 및 기록 메모리 디바이스일 수 있다. 영구 저장 디바이스(2402)는 전자 시스템(2400)이 꺼져 있는 경우에도 명령어 및 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리 디바이스일 수 있다. 하나 이상의 구현에서는, 대용량 저장 디바이스(예컨대, 자기 또는 광 디스크 및 대응하는 디스크 드라이브)가 영구 저장 디바이스(2402)로 사용될 수 있다.
하나 이상의 구현에서는, 이동식 저장 디바이스(예컨대, 플로피 디스크, 플래시 드라이브, 및 대응하는 디스크 드라이브)가 영구 저장 디바이스(2402)로 사용될 수 있다. 영구 저장 디바이스(2402)와 마찬가지로, 시스템 메모리(2404)는 판독 및 기록 메모리 디바이스일 수 있다. 그러나, 영구 저장 디바이스(2402)와 달리, 시스템 메모리(2404)는 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 판독 및 기록 메모리일 수 있다. 시스템 메모리(2404)는 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412)이 런타임에 필요로 할 수 있는 명령어 및 데이터 중 임의의 것을 저장할 수 있다. 하나 이상의 구현에서, 본 개시의 프로세스는 시스템 메모리(2404), 영구 저장 디바이스(2402), 및/또는 ROM(2410)에 저장된다. 이러한 다양한 메모리 유닛으로부터, 하나 이상의 처리 유닛(들)(2412)은 하나 이상의 구현의 프로세스를 실행하기 위해 실행할 명령어 및 처리할 데이터를 수신한다.
버스(2408)는 또한 입력 및 출력 디바이스 인터페이스(2414 및 2406)에 연결된다. 입력 디바이스 인터페이스(2414)는 전자 시스템(2400)에 대해 사용자가 정보를 통신하고 커맨드를 선택할 수 있게 한다. 입력 디바이스 인터페이스(2414)와 함께 사용될 수 있는 입력 디바이스는, 예를 들어, 영숫자 키보드 및 포인팅 디바이스("커서 제어 디바이스"라고도 함)를 포함할 수 있다. 출력 디바이스 인터페이스(2406)는 예를 들어 전자 시스템(2400)에 의해 생성된 이미지의 디스플레이를 가능하게 할 수 있다. 출력 디바이스 인터페이스(2406)와 함께 사용될 수 있는 출력 디바이스는, 예를 들어, 프린터 및 디스플레이 디바이스(예컨대, 액정 디스플레이(LCD), 발광 다이오드(LED) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이, 플렉서블 디스플레이, 평판 디스플레이, 솔리드 스테이트 디스플레이, 프로젝터 또는 정보를 출력하는 임의의 다른 디바이스)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현은 터치스크린과 같은 입력 및 출력 디바이스로 기능하는 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 구현에서, 사용자에게 제공되는 피드백은 시각적 피드백, 청각적 피드백 또는 촉각적 피드백과 같은 임의의 형태의 감각적 피드백일 수 있고, 사용자로부터의 입력은 음향, 음성 또는 촉각 입력을 포함한 임의의 형태로 수신될 수 있다.
마지막으로, 도 24에 도시된 바와 같이, 버스(2408)는 또한 전자 시스템(2400)을 하나 이상의 무선 네트워크 인터페이스와 같은 하나 이상의 네트워크 인터페이스(들)(2416)를 통해 네트워크(미도시) 및/또는 하나 이상의 디바이스에 연결한다. 이러한 방식으로, 전자 시스템(2400)은 컴퓨터들의 네트워크(예컨대, 근거리 통신망("LAN"), 광역 네트워크("WAN"), 또는 인트라넷), 또는 네트워크들의 네트워크(예컨대, 인터넷)의 일부일 수 있다. 전자 시스템(2400)의 임의의 또는 모든 구성요소는 본 개시와 함께 사용될 수 있다.
또한, 개시된 예의 이전 설명은 당업자로 하여금 본 개시를 작성하거나 사용할 수 있게 하기 위해 제공된다는 것이 이해된다. 이러한 예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적 원리는 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에 도시된 예에 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규 특징과 일치하는 가장 넓은 범위를 부여받아야 한다.
이제 본 기술의 제1 양태가 다음의 항목을 참조하여 설명될 것이다:
항목 1. 향상된 무선 통신 애플리케이션을 위한 반사어레이 안테나로서, 단일 기판 층과, 단일 기판 층 상의 반사어레이 셀 어레이를 포함하되, 반사어레이 셀 어레이는, 제1 선형 편광에서 제1 위상 시프트로 반사된 무선 주파수(RF) 빔을 방사하도록 구성된 제1 복수의 전도성 요소와, 제1 복수의 전도성 요소에 직교하게 배열되고, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광에서 제1 위상 시프트와 실질적으로 동일한 제2 위상 시프트로 반사된 RF 빔을 방사하도록 구성된 제2 복수의 전도성 요소를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 2. 제1항에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소는 제1 축을 따라 측방향으로 연장되는 적어도 하나의 쌍극자(dipole)를 포함하고, 제2 복수의 전도성 요소는 제1 축에 직교하는 제2 축을 따라 측방향으로 연장되는 적어도 하나의 쌍극자를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 3. 제2항에 있어서, 반사어레이 셀 어레이는 제1 축 및 제2 축에서 3.0 밀리미터(mm) 내지 5.0 mm 범위의 셀의 주기성을 갖는, 반사어레이 안테나.
항목 4. 제1항에 있어서, 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은 제1 복수의 전도성 요소를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 5. 제2항에 있어서, 제2 복수의 전도성 요소의 각각의 전도성 요소는 제1 복수의 전도성 요소 사이에서 중심이 되는 위치에 배열되는, 반사어레이 안테나.
항목 6. 제1항에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 다양한 길이를 갖는 복수의 쌍극자를 포함하고, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각에 대한 복수의 쌍극자는 서로 평행하게 배열되는, 반사어레이 안테나.
항목 7. 제6항에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 제1 길이를 갖는 제1 쌍극자, 제2 길이를 갖는 제2 쌍극자, 및 제3 길이를 갖는 제3 쌍극자를 포함하고, 제2 쌍극자는 제1 쌍극자와 제3 쌍극자 사이에 개재되는, 반사어레이 안테나.
항목 8. 제7항에 있어서, 제2 길이는 제1 길이 및 제3 길이보다 크고, 제1 길이는 제3 길이와 실질적으로 동일한, 반사어레이 안테나.
항목 9. 제8항에 있어서, 제1 길이 및 제3 길이의 각각은 제2 길이의 미리 결정된 분수인, 반사어레이 안테나.
항목 10. 제1항에 있어서, 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은, 기판, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소를 갖는 패터닝된 층, 접지 평면 층, 접합층 및 슈퍼스트레이트(superstrate)를 포함하고, 슈퍼스트레이트는 접합층의 상단 표면 상에 배치되고, 접합층은 패터닝된 층의 상단 표면 상에 배치되고, 패터닝된 층은 기판의 상단 표면 상에 배치되고, 기판은 접지 평면 층의 상단 표면 상에 배치되는, 반사어레이 안테나.
항목 11. 제10항에 있어서, 슈퍼스트레이트 및 기판은 동일한 복합 재료를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 12. 제1항에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소와 제2 복수의 전도성 요소는 상이한 형상의 전도성 인쇄 패치인, 반사어레이 안테나.
항목 13. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 반사어레이 셀 어레이는 제1 축 및 제2 축에서 3.0 밀리미터(mm) 내지 5.0 mm 범위의 셀의 주기성을 갖는, 반사어레이 안테나.
항목 14. 항목 1 내지 항목 3 중 어느 한 항목에 있어서, 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은 제1 복수의 전도성 요소를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 15. 항목 2에 있어서, 제2 복수의 전도성 요소의 각각의 전도성 요소는 제1 복수의 전도성 요소 사이에서 중심이 되는 위치에 배열되는, 반사어레이 안테나.
항목 16. 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 다양한 길이를 갖는 복수의 쌍극자를 포함하고, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각에 대한 복수의 쌍극자는 서로 평행하게 배열되는, 반사어레이 안테나.
항목 17. 항목 6에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 제1 길이를 갖는 제1 쌍극자, 제2 길이를 갖는 제2 쌍극자, 및 제3 길이를 갖는 제3 쌍극자를 포함하고, 제2 쌍극자는 제1 쌍극자와 제3 쌍극자 사이에 개재되는, 반사어레이 안테나.
항목 18. 항목 7에 있어서, 제2 길이는 제1 길이 및 제3 길이보다 크고, 제1 길이는 제3 길이와 실질적으로 동일한, 반사어레이 안테나.
항목 19. 항목 8에 있어서, 제1 길이 및 제3 길이의 각각은 제2 길이의 미리 결정된 분수인, 반사어레이 안테나.
항목 20. 항목 1 내지 항목 9 중 어느 한 항목에 있어서, 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은, 기판, 제1 복수의 전도성 요소 및 제2 복수의 전도성 요소를 갖는 패터닝된 층, 접지 평면 층, 접합층 및 슈퍼스트레이트를 포함하고, 슈퍼스트레이트는 접합층의 상단 표면 상에 배치되고, 접합층은 패터닝된 층의 상단 표면 상에 배치되고, 패터닝된 층은 기판의 상단 표면 상에 배치되고, 기판은 접지 평면 층의 상단 표면 상에 배치되는, 반사어레이 안테나.
항목 21. 항목 10에 있어서, 슈퍼스트레이트 및 기판은 동일한 복합 재료를 포함하는, 반사어레이 안테나.
항목 22. 항목 1 내지 항목 11 중 어느 한 항목에 있어서, 제1 복수의 전도성 요소와 제2 복수의 전도성 요소는 상이한 형상의 전도성 인쇄 패치인, 반사어레이 안테나.
이제 본 기술의 제2 양태가 다음의 항목을 참조하여 설명될 것이다:
항목 23. 반사어레이 안테나를 설계하는 방법으로서, 패턴 합성 알고리즘에 의해 반사어레이 셀 어레이를 갖는 반사어레이 패널에 대한 타겟 위상 분포를 결정하는 단계와, 반사어레이 셀의 표면 상의 미리 계산된 반사 계수를 사용하여 반사어레이 셀 어레이 내의 각 셀의 기하학적 파라미터를 결정하는 단계와, 적어도 타겟 위상 분포와의 비교에 기초하여 반사어레이 셀 어레이 내의 각 셀에서 하나 이상의 쌍극자 길이를 수정하는 단계와, 적어도 하나의 선형 편광에 대해, 적어도 반사어레이 셀 어레이의 수정된 하나 이상의 쌍극자 길이에 기초하여 제1 방사 패턴을 계산하고 미리 계산된 반사 계수로부터 제2 방사 패턴을 계산하는 단계와, 적어도 제1 방사 패턴과 제2 방사 패턴 간의 비교에 기초하여 반사어레이 셀 어레이 내의 각 셀의 기하학적 파라미터를 검증하는 단계와, 반사어레이 안테나의 제작을 위해 검증된 기하학적 파라미터를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
항목 24. 제23항에 있어서, 반사어레이 안테나와 기지국 사이의 지오메트리 설정을 포함하는 안테나 사양을 결정하는 단계와, 관심 대역의 하나 이상의 주파수에서 제1 및 제2 선형 편광에 대해 안테나 사양으로부터 반사어레이 셀의 위상 및 진폭 곡선을 계산하는 단계와, 위상 곡선으로부터의 제1 위상을 제1 및 제2 선형 편광 중 적어도 하나에서 반사어레이 셀에 대한 타겟 위상 분포의 제2 위상과 비교하는 단계를 더 포함하되, 위상 곡선으로부터의 제1 위상이 목표 위상 분포의 제2 위상과 일치하지 않을 때, 반사어레이 셀의 하나 이상의 쌍극자 길이는 제1 위상 및 제2 위상이 실질적으로 수렴되도록 수정되는, 방법.
항목 25. 제23항에 있어서, 타겟 위상 분포를 결정하는 단계는, 적어도 피드 위치 및 반사어레이 셀 어레이 내의 각 셀의 초기 기하학적 파라미터에 기초하여 반사어레이 패널의 표면 상의 접선 반사 전기장(tangential reflected field)을 계산하는 단계와, 커버리지 영역의 중심을 향하는 펜슬 빔(pencil beam)으로 방사 패턴 사양을 결정하는 단계와, 커버리지 영역의 중심을 향하는 펜슬 빔으로 방사 패턴 사양을 결정하는 단계와, 미리 결정된 방위각 및 미리 결정된 고도각에서 커버리지 영역을 향하는 디포커스된 빔에 기초하여 반사어레이 패널의 표면 상의 반사어레이 셀 어레이에 대한 초기 위상 분포를 결정하는 단계와, 초기 위상 분포에 대해 반복 패턴 합성 알고리즘의 복수의 단계를 수행하는 단계와, 반복 패턴 합성 알고리즘의 복수의 단계의 각각의 후속 단계에 대해 디포커싱된 빔의 이득을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
항목 26. 제25항에 있어서, 적어도 반사어레이 안테나의 개구 크기에 기초하여 이득을 결정하는 단계를 더 포함하되, 이득의 증가는 커버리지 영역 내의 반사어레이 안테나의 중심 주위의 고정된 수의 반사어레이 요소에 대한 미리 결정된 조명 레벨에 대응하는, 방법.
항목 27. 제25항에 있어서, 반사어레이 안테나의 중심 주위의 셀들의 링을 최적화하도록 조명의 최소 및 최대 임계 레벨을 설정하는 단계를 더 포함하되, 이득을 증가시키는 단계는 반사어레이 패널의 에지에서의 조명 레벨을 반복적 패턴 합성 알고리즘의 후속 단계에 대응하는 조명의 최소 및 최대 임계 레벨 내의 한 레벨로 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
이제 본 기술의 제3 양태가 다음의 항목을 참조하여 설명될 것이다:
항목 28. 제작을 위한 반사어레이 안테나의 패턴 합성을 수행하는 방법으로서, 적어도 피드 위치 및 반사어레이 표면의 초기 기하학적 파라미터에 기초하여 반사어레이 표면 상의 접선 반사 전기장을 계산하는 단계와, 커버리지 영역의 중심을 향하는 펜슬 빔으로 방사 패턴 사양을 결정하는 단계와, 미리 결정된 방위각 및 미리 결정된 고도각에서 커버리지 영역을 향하는 디포커싱된 빔에 기초하여 반사어레이 표면 상의 셀 어레이의 초기 위상 분포를 결정하는 단계와, 초기 위상 분포에 대해 반복적 패턴 합성 알고리즘의 복수의 단계를 수행하는 단계와, 반복적 패턴 합성 알고리즘의 복수의 단계의 각각의 후속 단계에 대해 반사어레이 표면의 에지에서의 조명 레벨을 증가시키는 단계와, 반복적 패턴 합성 알고리즘의 결과로부터 반사어레이 표면 상의 합성된 위상 분포를 결정하는 단계와, 합성된 위상 분포를 사용하여 반사어레이 셀의 하나 이상의 기하학적 파라미터를 수정하는 단계와, 반사어레이 안테나를 제작하기 위해 반사어레이 셀의 수정된 하나 이상의 기하학적 파라미터를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
항목 29. 제28항에 있어서, 적어도 반사어레이 안테나의 개구 크기에 기초하여 이득을 결정하는 단계를 더 포함하되, 이득의 증가는 커버리지 영역 내의 반사어레이 안테나의 중심 주위의 고정된 수의 반사어레이 요소에 대한 미리 결정된 조명 레벨에 대응하는, 방법.
항목 30. 제29항에 있어서, 디포커싱된 빔은, 중심 주위의 셀들의 링을 최적화하도록 조명의 최소 및 최대 임계 레벨을 설정함으로써 반복적 패턴 합성 알고리즘의 각각의 후속 단계에서 반사어레이 안테나의 중심 주위의 추가 반사어레이 요소를 커버하도록 증가되는, 방법.
본 명세서에서 사용될 때, 아이템들 중 임의의 것을 분리하는 "및" 또는 "또는"이라는 용어와 함께 일련의 아이템 앞에 놓인 "~중 적어도 하나"라는 문구는 목록의 각 요소(즉, 각각의 아이템)가 아니라 그 목록 전체를 수식한다. "~중 적어도 하나"라는 문구는 적어도 하나의 아이템의 선택을 요구하지 않고, 오히려, 이 문구는 아이템들 중 임의의 것의 적어도 하나, 및/또는 아이템들의 임의의 조합 중 적어도 하나, 및/또는 아이템들 각각의 적어도 하나를 포함하는 의미를 허용한다. 예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구는 각각 A만, B만, 또는 C만; A, B 및 C의 임의의 조합; 및/또는 A, B 및 C 각각의 적어도 하나를 지칭한다.
또한, "포함한다(include)", "갖는다(have)" 등의 용어가 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용될 때, 이러한 용어는 "포함한다(comprise)"가 청구항에서 전환어(transitional word)로 사용될 때 해석되는 것처럼 "포함한다(comprise)"라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.
단수로 요소를 언급하는 것은 특별히 언급되지 않는 한 "하나뿐인 것"을 의미하는 것이 아니라 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. "일부"라는 용어는 하나 이상을 나타낸다. 밑줄 및/또는 기울임꼴 표제 및 부제목은 편의상 사용된 것일 뿐, 본 기술을 제한하지 않으며 본 기술의 설명의 해석과 관련하여 참조되지 않는다. 당업자에게 알려져 있거나 나중에 알려지게 될, 본 개시의 전반에 걸쳐 설명된 다양한 구성의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 균등물은, 참조에 의해 본 명세서에 명시적으로 통합되고 본 기술에 포함되는 것으로 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 내용은 어떠한 것도, 그러한 개시가 위의 설명에서 명시적으로 언급되었는지 여부에 관계없이, 대중에게 헌정되는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서는 많은 세부사항을 포함하지만, 이들은 청구될 수 있는 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 청구대상의 특정 구현에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 별개의 실시예의 맥락에서 본 명세서에 설명된 특정 특징은 단일 실시예에서 조합하여 구현될 수도 있다. 역으로, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 다양한 특징은 또한 다수의 실시예에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징들은 특정 조합으로 작용하는 것으로 위에서 설명될 수 있고 심지어 처음에는 그렇게 청구될 수도 있지만, 청구된 조합에서의 하나 이상의 특징은 일부 경우에 조합에서 제거될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
본 명세서의 주제는 특정 측면에 비추어 설명되었지만, 다른 측면이 구현될 수 있고 이는 다음 청구범위의 범위 내에 있다. 예를 들어, 동작들은 특정 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는 바람직한 결과를 달성하기 위해 그러한 동작이 도시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행되어야 하거나, 또는 도시된 모든 동작이 수행되어야 함을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 청구범위에 언급된 동작들은 다른 순서로 수행될 수 있으며 여전히 바람직한 결과를 달성할 수 있다. 일 예로서, 첨부 도면에 도시된 프로세스는 바람직한 결과를 달성하기 위해 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서를 반드시 필요로 하지는 않는다. 또한, 위에서 설명한 측면에서의 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 측면에서 이러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 설명된 프로그램 구성요소들 및 시스템들은 일반적으로 단일 하드웨어 제품에 함께 통합되거나 다수의 하드웨어 제품 내에 패키지화될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 변형은 후속하는 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 향상된 무선 통신 애플리케이션을 위한 반사어레이 안테나로서,
    단일 기판 층과,
    상기 단일 기판 층 상의 반사어레이 셀 어레이를 포함하되,
    상기 반사어레이 셀 어레이는,
    제1 선형 편광에서 제1 위상 시프트로 반사된 무선 주파수(RF) 빔을 방사하도록 구성된 제1 복수의 전도성 요소와,
    상기 제1 복수의 전도성 요소에 직교하게 배열되고, 상기 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광에서 상기 제1 위상 시프트와 실질적으로 동일한 제2 위상 시프트로 반사된 RF 빔을 방사하도록 구성된 제2 복수의 전도성 요소를 포함하는,
    반사어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 복수의 전도성 요소는 제1 축을 따라 측방향으로 연장되는 적어도 하나의 쌍극자(dipole)를 포함하고, 상기 제2 복수의 전도성 요소는 상기 제1 축에 직교하는 제2 축을 따라 측방향으로 연장되는 적어도 하나의 쌍극자를 포함하는,
    반사어레이 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반사어레이 셀 어레이는 제1 축 및 제2 축에서 3.0 밀리미터(mm) 내지 5.0 mm 범위의 셀의 주기성을 갖는,
    반사어레이 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은 상기 제1 복수의 전도성 요소를 포함하는,
    반사어레이 안테나.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 복수의 전도성 요소의 각각의 전도성 요소는 상기 제1 복수의 전도성 요소 사이에서 중심이 되는 위치에 배열되는,
    반사어레이 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 복수의 전도성 요소 및 상기 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 다양한 길이를 갖는 복수의 쌍극자를 포함하고, 상기 제1 복수의 전도성 요소 및 상기 제2 복수의 전도성 요소의 각각에 대한 상기 복수의 쌍극자는 서로 평행하게 배열되는,
    반사어레이 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 복수의 전도성 요소 및 상기 제2 복수의 전도성 요소의 각각은 제1 길이를 갖는 제1 쌍극자, 제2 길이를 갖는 제2 쌍극자, 및 제3 길이를 갖는 제3 쌍극자를 포함하고, 상기 제2 쌍극자는 상기 제1 쌍극자와 상기 제3 쌍극자 사이에 개재되는,
    반사어레이 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 길이는 상기 제1 길이 및 상기 제3 길이보다 크고, 상기 제1 길이는 상기 제3 길이와 실질적으로 동일한,
    반사어레이 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 길이 및 제3 길이의 각각은 상기 제2 길이의 미리 결정된 분수인,
    반사어레이 안테나.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사어레이 셀 어레이의 각각의 반사어레이 셀은, 기판, 상기 제1 복수의 전도성 요소 및 상기 제2 복수의 전도성 요소를 갖는 패터닝된 층, 접지 평면 층, 접합층 및 슈퍼스트레이트(superstrate)를 포함하고, 상기 슈퍼스트레이트는 상기 접합층의 상단 표면 상에 배치되고, 상기 접합층은 상기 패터닝된 층의 상단 표면 상에 배치되고, 상기 패터닝된 층은 상기 기판의 상단 표면 상에 배치되고, 상기 기판은 상기 접지 평면 층의 상단 표면 상에 배치되는,
    반사어레이 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슈퍼스트레이트 및 상기 기판은 동일한 복합 재료를 포함하는,
    반사어레이 안테나.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 복수의 전도성 요소와 상기 제2 복수의 전도성 요소는 상이한 형상의 전도성 인쇄 패치인,
    반사어레이 안테나.
  13. 제작을 위한 반사어레이 안테나의 패턴 합성을 수행하는 방법으로서,
    적어도 피드 위치 및 반사어레이 표면의 초기 기하학적 파라미터에 기초하여 상기 반사어레이 표면 상의 접선 반사 전기장(tangential reflected field)을 계산하는 단계와,
    커버리지 영역의 중심을 향하는 펜슬 빔(pencil beam)으로 방사 패턴 사양을 결정하는 단계와,
    미리 결정된 방위각 및 미리 결정된 고도각에서 상기 커버리지 영역을 향하는 디포커싱된 빔에 기초하여 상기 반사어레이 표면 상의 셀 어레이의 초기 위상 분포를 결정하는 단계와,
    상기 초기 위상 분포에 대해 반복적 패턴 합성 알고리즘의 복수의 단계를 수행하는 단계와,
    상기 반복적 패턴 합성 알고리즘의 상기 복수의 단계의 각각의 후속 단계에 대해 상기 반사어레이 표면의 에지에서의 조명 레벨을 증가시키는 단계와,
    상기 반복적 패턴 합성 알고리즘의 결과로부터 상기 반사어레이 표면 상의 합성된 위상 분포를 결정하는 단계와,
    상기 합성된 위상 분포를 사용하여 반사어레이 셀의 하나 이상의 기하학적 파라미터를 수정하는 단계와,
    상기 반사어레이 안테나를 제작하기 위해 상기 반사어레이 셀의 상기 수정된 하나 이상의 기하학적 파라미터를 처리하는 단계를 포함하는,
    방법.
  14. 제13항에 있어서,
    적어도 상기 반사어레이 안테나의 개구 크기에 기초하여 이득을 결정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 이득의 증가는 상기 커버리지 영역 내의 상기 반사어레이 안테나의 중심 주위의 고정된 수의 반사어레이 요소에 대한 미리 결정된 조명 레벨에 대응하는,
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 디포커싱된 빔은, 상기 중심 주위의 셀들의 링을 최적화하도록 조명의 최소 및 최대 임계 레벨을 설정함으로써 상기 반복적 패턴 합성 알고리즘의 각각의 후속 단계에서 상기 반사어레이 안테나의 중심 주위의 추가 반사어레이 요소를 커버하도록 증가되는,
    방법.
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